a study of interaction between spot market and market for

A STUDY OF INTERACTION BETWEEN SPOT MARKET AND
MARKET FOR BALANCING SERVICES.
Autor: Benedicto Martínez, Pedro.
Director: Hesamzadeh, Mohammad Reza.
Entidad Colaboradora: Kungliga Tekniska Högskolan (KTH)
RESUMEN DEL PROYECTO
A lo largo de todo el mundo se ha puesto en marcha una serie de políticas de incentivo
de la energía eólica. Sin embargo, el gran incremento en la penetración de la generación
eólica ha traído consigo un incremento en la preocupación por la seguridad y viabilidad
de la operación del sistema.
En el NORDEL, el mercado nórdico de la electricidad, los diferentes participantes en el
mercado que están dispuestos a proporcionar servicios complementarios, realizan sus
ofertas al operador del sistema. Si se produce un desequilibrio entre generación y
demanda, las ofertas son ordenadas de acuerdo a su adecuación para resolver el
problema y la oferta económicamente más beneficiosa será seleccionada. Esta selección
es independiente de la nacionalidad del proveedor de los servicios complementarios. Si
dicha selección provocase congestión en las líneas, serían aliviadas con la activación de
otras ofertas.
Esta metodología está basada en las acciones correctivas que permite el mercado de
servicios complementarios dado el despacho del mercado diario.
Con la inclusión de volúmenes cada vez mayores de energía eólica, la demanda de
servicios complementarios está creciendo. Bajo este marco energético, cada vez más
influenciado por la variabilidad del viento, el uso de acciones preventivas en el mercado
diario en vez de correctivas en el mercado de servicios complementarios puede resultar
más eficiente.
Estas acciones preventivas pueden ser tomadas con un nuevo modelo de los mercados
eléctricos basado en la integración que proporcionan herramientas matemáticas como
las condiciones de Karush-Kuhn-Tucker.
Éste proyecto tiene como fin mostrar los beneficios del nuevo paradigma ideado para la
organización de los mercados eléctricos. Con este propósito, cinco objetivos fueron
marcados y llevados a cabo:
1. Buscar, recopilar y analizar la bibliografía relacionada con el tema.
2. Programar un modelo de flujo de cargas óptimo de CC sujeto a la minimización
de los costes asociados al sistema eléctrico. Este modelo representa el
funcionamiento actual del mercado eléctrico, donde los servicios
complementarios son contratados para proporcionar acciones correctivas que
permitan equilibrar los errores cometidos en la previsión de la demanda y la
generación eólica.
3. Desarrollar un segundo modelo, orientado a acciones preventivas en vez de
correctivas. Esta nueva formulación está basada en las anteriormente
mencionadas condiciones de Karush-Kuhn-Tucker. Estas nuevas condiciones
sustituyen a las restricciones del mercado de servicios complementarios e
integran ambos estadios del proceso: el mercado diario y el mercado de servicios
complementarios.
4. Ejecutar ambos modelos en el software de optimización GAMS, utilizando un
sistema eléctrico cuidadosamente diseñado para analizar y comentar los
resultados obtenidos en los distintos casos considerados. Este sistema incluye
importantes características como generación eólica, pérdidas de potencia activa
y conexiones High-Voltage Direct Current (HVDC) para comunicar parques
eólicos offshore con el resto del sistema. La aleatoriedad del problema se ha
tenido en cuenta haciendo uso del método de Monte Carlo.
5. Poner de relieve las ventajas que la nueva aproximación a la organización del
mercado eléctrico tiene gracias a las medidas correctivas comparado con el
modelo imperante en la actualidad.
Los resultados son claros y muestran una drástica reducción en los costes de los
servicios complementarios activados cuando se toman acciones preventivas. La
reducción crece conforme la aleatoriedad del sistema se incrementa y la tendencia
también se ve acentuada bajo un escenario con penetración eólica.
La creciente preocupación sobre el cambio climático, políticas medio ambientales como
el triple objetivo 20-20-20 de la Unión Europea, políticas que promocionan la
independencia energética y el rechazo a la las plantas nucleares son algunas de las
razones que explican el rápido incremento en la implantación de las energías
renovables, especialmente la energía eólica. Esta tendencia se presume imparable y
vendrá aparejada de un alza en los costes de los servicios complementarios. Este
escenario perfila un excelente futuro para todas las tecnologías que buscan reducir estos
costes.
A STUDY OF INTERACTION BETWEEN SPOT MARKET AND
MARKET FOR BALANCING SERVICES.
Around the world, there are a number of policies encouraging penetration of wind
generation in the electricity industry. The proposed large increase in the penetration of
wind generation has raised concerns about the continued security and reliability of the
operation of the network.
In NORDEL, the Nordic common market of electricity, market participants who are
willing to provide the balancing services offer their services to the Transmission System
Operator, TSO. In case of any system imbalance, the offers are listed in a merit order
list and the cheapest offer will be selected. This selection is regardless of balancing
service provider’s nationality. If congestion happens, some other offers will be used to
relieve congested line. This results in different prices for balancing services in different
areas.
This methodology is based on the corrective actions in the market for balancing services
given the dispatch information from the spot market.
With the increased penetration of wind generation into the electricity industry, the
demand for balancing services is increasing. Under these windy scenarios, it might be
more efficient to use preventive actions in the spot market rather than doing corrective
actions in the market for balancing services.
These preventive actions can be taken with a new approach to the formulation of the
electricity markets based on the integration that provide mathematical tools such as the
Karush-Kuhn-Tucker conditions.
This master thesis aims at showing the advantages of this new paradigm of the
organization of the electricity market. With this purpose, five objectives were set and
accomplished:
1. Searching, collecting and analyzing the bibliography related with the topic in
different scientific sources.
2. Programming a DC Optimal Power Flows (DC-OPF) model subject to the
minimization of the cost associated to the electric power system. This model
represents the current perform of the electricity market where balancing services
are procured to provide corrective actions to balance the errors committed in the
forecast of the demand and wind generation.
3. Developing a second model, with a balancing market oriented to preventive
actions rather than corrective. This new formulation is based on the
aforementioned Karush-Kuhn-Tucker conditions. These conditions substitute the
constraints of the balancing market and integrate both steps of the process: spot
market and market for balancing services.
4. Run both models in GAMS software. An electric system carefully designed in
order to analyze and comment the results obtained in the different cases
considered. This system includes important features like wind generation, power
losses and High-Voltage Direct Current (HVDC) links that connect offshore
wind farms with mainland. The stochasticity of the problem was taken into
account with the help of the Monte Carlo technique.
5. Highlight the benefits that the new approach to the organization of the electricity
market has thanks to the corrective measures compared to the prevailing scheme.
Results are clear and show a dramatic reduction of the costs of balancing services when
preventive measures are taken. The reduction grows as the stochasticity of the system is
increased and the trend is augmented under a with wind generation scenario.
Growing concern about climate change, environmental policies like the 20-20-20 target
of the EU, policies which encourage energetic independency and rejection to nuclear
power plants are some of the reasons that explain the sharp increase of the installation
of renewable energies, especially wind energy. This trend seems to be unstoppable and
together with it, rises in the balancing costs will come. This scenario shapes an excellent
future to technologies which aim at reducing these costs.