Συμβολή στην ανάλυση της λειτουργίας και σχεδίασης σύγχρονων αγορών ηλεκτρικής ενέργειας με εφαρμογές σε πραγματικό σύστημα

Abstract

This PhD dissertation belongs to the general research field of the Wholesale Electricity Markets Analysis’. More specifically this research is applied to the Greek Wholesale Electricity Market with emphasis to the Dynamic Analysis of the Greek Market Clearing Price (SMP) to various exogenous factors that affect its volatility and trend, both in short and long term. This research examines first the most important factors that drive the SMP price, namely the load forecasting and SMP’s dependence on fuel prices (including CO2 emissions rights) that compose the energy mixture of the Greek Power System. More specifically Johansen’s algorithm was used in order to detect cointegration relationships between the major factors of the Greek Wholesale Electricity Market. Then both short and long term relationships between electricity prices and fuel prices such as Brent oil, Natural Gas, CO2 emission rights as well as the Variable Cost of a typical coal (lignite) power plant were analyzed. Moreover, it was examined the response of one variable to another focusing on SMP’s response to abrupt changes in the prices of the other fuels. In this case the impulse response analysis as well as the variance decomposition anlysis are applied. With regards to load forecasting, the Principal Component Analysis (PCA) which is a linear method of the Manifold Learning Tool was initially applied to the load series. Moreover, the following models were compared with regards to their performance; a Seasonal AutoRegressive Integrated Moving Average with eXogenous parameters (SARIMAX), a Holt-Winter’s exponential smoothing model, a Hybrid based on PCA model, an Artificial Neural Network Model, and a Support Vector Machine one. The remainder of this thesis is dedicated to High Voltage Direct Current (HVDC) Interconnections which are modeled and examined for their financial impact on electricity markets via cross border trading as well as for their impact on system stability which is crucial among others on reserves calculations. More specifically an HVDC system with Voltage Source Converters (VSCs) which is connected to one side with a large Wind Farm (modeled as an equivalent current source) and a strong or weak AC grid on the other one, was tested. Additionally, a general method of analysis, based on advanced nonlinear techniques, is developed which proves that the proposed control scheme can guarantee closed-loop system stability, robustness and effective operation under transient analysis. More emphasis was given to the analysis of cross-border trading between Greece and Italy for the period 2005-2013 which was tested by using three different methods in order to detect the dynamic correlation or co-movement between two-time series which in our case is the Wholesale Electricity Prices of Greece and Italy respectively. To do so, the well-known methodology of dynamic correlation and coherence were applied which reveal valuable information for the time series under consideration in the time domain. Afterwards, thewavelet analysis was used which is a state of the art tool for analysis in both time and frequency domain and its well-known tools of Continuous Wavelet Transform (CWT), Wavelet Coherence (WC) to our time series (Greek and Italian electricity prices). The results are very useful in order to identify and quantify the intensity of the dynamic correlation as well as to detect any false or true flows in the interconnection.

Η παρούσα Διατριβή πραγματεύεται προβλήματα που εντοπίζονται στον ευρύτερο χώρο των Χονδρεμπορικών Αγορών Ηλεκτρικής Ενέργειας και ειδικότερα της Ελληνικής Χονδρεμπορικής Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας με έμφαση στη Δυναμική Ανάλυση της συμπεριφοράς των τιμών της σε εξωγενείς παράγοντες που την επηρεάζουν και εν γένει την καθορίζουν. Πιο συγκεκριμένα αρχικά εξετάζονται δύο από τους βασικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την τιμή της Οριακής Τιμής Συστήματος (ΟΤΣ) και αυτοί είναι η πρόβλεψη του φορτίου και η εξάρτησή της από εκείνα τα καύσιμα (συμπεριλαμβάνοντας και τα δικαιώματα εκπομπής ρύπων CO2) που συνθέτουν το ενεργειακό μείγμα της Ελληνικής Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας. Αναλυτικότερα, η μέθοδος του Johansen χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να ανιχνευθούν σχέσεις συνολοκλήρωσης μεταξύ των μεταβλητών της Ελληνικής Χονδρεμπορικής Αγοράς Ηλεκτρισμού. Στη συνέχεια, αναλύθηκαν οι μακροπρόθεσμες και βραχυπρόθεσμες σχέσεις μεταξύ των τιμών ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα και των τιμών των διαφόρων καυσίμων, και πιο συγκεκριμένα των τιμών πετρελαίου Brent oil, φυσικού αερίου, δικαιωμάτων εκπομπής ρύπων, καθώς και της τιμής κόστους καυσίμου ενός τυπικού λιγνιτικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον μελετήθηκε η απόκριση μίας μεταβλητής στη διέγερση μίας άλλης μεταβλητής και πιο συγκεκριμένα η απόκριση της ΟΤΣ στις απότομες μεταβολές των τιμών καυσίμου. Στην περίπτωση αυτή εφαρμόσθηκε η ανάλυση της κρουστικής απόκρισης καθώς και η ανάλυση της διάσπασης διακύμανσης. Όσον αφορά στην πρόβλεψη φορτίου πριν από την ανάπτυξη των μοντέλων πρόβλεψης, εφαρμόσθηκε η μέθοδος της Ανάλυσης σε Κύριες Συνιστώσες (Principal Component Analysis, PCA) μία γραμμική μέθοδος του πεδίου της πολυδιάστατης εκμάθησης (manifold learning), στην χρονοσειρά του φορτίου. Επιπλέον συγκρίθηκε ένα εποχικό (seasonal) Αυτοαναγωγικό μοντέλο ολοκλήρωσης Κινητού Μέσου Όρου ARIMA, με εξωγενείς παραμέτρους (SARIMAX), ένα μοντέλο που στηρίχθηκε στη μέθοδο της εκθετικής απόσβεσης των Holt & Winter (ETS), ένα Υβριδικό Αναγωγικό μοντέλο με τη Μέθοδο της Ανάλυσης σε Κύριες Συνιστώσες, ένα Τεχνητό Νευρωνικό Δίκτυο, ANN καθώς και ένα μοντέλο Μηχανής υποστήριξης λήψης αποφάσεων (SVM). Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε επίσης στις διασυνδέσεις Υψηλής Τάσης Συνεχούς Ρεύματος (HVDC), οι οποίες μελετώνται συνολικά ως προς τις επιπτώσεις τους στην ΟΤΣ μέσω του Διασυνοριακού εμπορίου, και στη βελτίωση της ευστάθειας του συστήματος με σκοπό την μείωση των αναγκών για επικουρικές υπηρεσίες. Πιο συγκεκριμένα εξετάσθηκε ένα HVDC σύστημα με Μετατροπείς Πηγής Τάσης (Voltage Source Converters) στο οποίο συνδέεται Αιολικό Πάρκο (μοντελοποιημένο ως πηγή ρεύματος) στην μία πλευρά ενώ στην άλλη πλευρά συνδέεται κατά περίπτωση ασθενές ή ισχυρό ac δίκτυο. Ταυτόχρονα, αναπτύχθηκεμια γενική μέθοδος ανάλυσης που αποδεικνύει ότι η προτεινόμενη διάταξη ελέγχου εξασφαλίζει ευστάθεια κλειστού βρόχου για τα συστήματα αυτά, σθεναρότητα και αποτελεσματική λειτουργία στη μεταβατική κατάσταση λειτουργίας.Μεγαλύτερη ωστόσο έμφαση δόθηκε στην ανάλυση του διασυνοριακού εμπορίου ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ Ελλάδας και Ιταλίας, κατά την περίοδο 2005-2013, χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικές μεθόδους στην ανίχνευση της δυναμικής συσχέτισης ή συνεξέλιξης μεταξύ δύο χρονοσειρών, στην περίπτωσή μας μεταξύ των χονδρεμπορικών τιμών ηλεκτρικής ενέργειας της Ιταλίας και της Ελλάδας. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε η παραδοσιακή μεθοδολογία της δυναμικής συσχέτισης και συνοχής που παρέχουν πληροφορίες σε σχέση με την συμπεριφορά των δύο χρονοσειρών στο πεδίο του χρόνου. Στη συνέχεια εφαρμόσθηκε η μέθοδος του wavelet στις χρονοσειρές των τιμών αγορών ηλεκτρικής ενέργειας της Ιταλίας (PUN και GREC) και της Ελλάδας (SMP) αντίστοιχα, στις διαφορές τους (PUN-SMP ή GREC-SMP) καθώς και στη διαφορά Εξαγωγές-Εισαγωγές ώστε να παραχθεί ένας αριθμός πάρα πολύ χρήσιμων γραφημάτων όπως ο Συνεχής Μετασχηματισμός Wavelet (Continuous Wavelet Transform, CWT), η Συνοχή Wavelet (Wavelet Coherence,WC) προκειμένου να μετρηθεί η ένταση της δυναμικής τοπικής συσχέτισης μεταξύ των δύο ηλεκτρικών αγορών, καθώς και η κατεύθυνση των ροών ενέργειας (“ορθές” και “ψευδείς” ροές) στη διασύνδεση.