Medium-term hydroplant operation scheduling in a competitive energy market

The research effort analyzed in the present Thesis is developed within the general framework of medium-term scheduling and simulation of power systems and energy markets, focusing on the significant contribution of hydroplants as well as the influence of the various sources of uncertainty. Due to the large impact of the short-term system and market operation on medium-term scheduling, a major goal of the present Thesis is to include as much short-term detail as possible within the medium-term horizon, by using chronological hourly time steps. Two major methods are developed. The first method refers to the simulation of the optimal medium-term hydrothermal coordination. The aim is to calculate the expected yearly production cost of a hydrothermal power system. Uncertainty is treated through a large number of scenarios. For each scenario, a deterministic yearly hydrothermal coordination problem is solved as a unique mixed-integer program (MIP), using commercial software (GAMS/CPLEX) and the branch-and-cut method in particular. The main contribution of the proposed method refers to the solution of the large-scale optimization problem as a unique MIP problem, within a very small optimality gap. The second method aims at the medium-term stochastic self-scheduling of a price-maker hydro producer. The goal is to maximize the expected yearly profits of the producer. A three-stage Stochastic MIP problem with recourse is formulated. Three main sources of uncertainty are taken into account, namely inflows, demand and the bidding strategy of the producer’s competitotrs. A respective, 90-scenario stochastic tree is used. The producer’s bidding strategy is defined through hourly residual demand curves. The latter are properly adjusted, according to the modification proposed by the present method, in order to include the impact of the producer’s pumping bids on the system marginal price. The proposed method is the first reference within the technical literature of a yearly stochastic self-scheduling model for a price-maker hydro producer with hourly time steps and uncertainty in the producer’s inflows and the residual demand. In addition, the need for modeling the impact of pumping bids on the system marginal price is underlined for the first time; a modification of the residual demand curves is proposed in this frameworkΗ ερευνητική προσπάθεια που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή κινείται στο γενικό πλαίσιο του μεσοπρόθεσμου προγραμματισμού και προσομοίωσης των συστημάτων και αγορών ηλεκτρικής ενέργειας, εστιάζοντας στον ιδιαίτερο ρόλο των υδροηλεκτρικών σταθμών (ΥΗΣ) και τη σημασία και επίδραση των διαφόρων παραμέτρων αβεβαιότητας. Τεκμηριώνοντας τη μεγάλη επίδραση της βραχυπρόθεσμης λειτουργίας του συστήματος και της αγοράς στο μεσοπρόθεσμο ορίζοντα, η διατριβή επιχειρεί την όσο το δυνατόν λεπτομερέστερη θεώρησή της με τη χρήση ωριαίων χρονικών υποδιαστημάτων. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύσσονται δύο κύριες μέθοδοι. Η πρώτη αφορά την προσομοίωση της μεσοπρόθεσμης υδροθερμικής συνεργασίας. Στόχος της είναι ο υπολογισμός του αναμενόμενου κόστους παραγωγής σε ένα υδροθερμικό Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ). Η θεώρηση των πηγών αβεβαιότητας γίνεται στη βάση σεναρίων. Για κάθε σενάριο της προσομοίωσης επιλύεται αιτιοκρατικά το πρόβλημα της ετήσιας υδροθερμικής συνεργασίας, που διατυπώνεται ως Μικτός Ακέραιος Γραμμικός Προγραμματισμός (ΜΑΓΠ). Η επίλυση γίνεται ενιαία, με τη χρήση εμπορικά διαθέσιμου μαθηματικού λογισμικού (GAMS/CPLEX) και εφαρμογή της μεθόδου διακλάδωσης και αποκοπής (branch and cut). Ο κύριος άξονας ερευνητικής συμβολής της διατριβής εντοπίζεται στην ενιαία και εντός πολύ μικρού διαστήματος σύγκλισης επίλυση του μεγάλης κλίμακας προβλήματος βελτιστοποίησης. Η δεύτερη μέθοδος έχει ως στόχο το μεσοπρόθεσμο στοχαστικό προγραμματισμό ενός υδροηλεκτρικού παραγωγού που έχει δυνατότητα διαμόρφωσης της τιμής. Στόχος είναι η μεγιστοποίηση των αναμενόμενων ετήσιων κερδών του. Διαμορφώνεται ένα πρόβλημα Στοχαστικού ΜΑΓΠ τριών σταδίων με αποφάσεις προσαρμογής. Γίνεται θεώρηση της αβεβαιότητας των εισροών, της ζήτησης και της στρατηγικής προσφορών των ανταγωνιστών του παραγωγού, μέσω ενός στοχαστικού δένδρου 90 σεναρίων. Η στρατηγική προσφορών του παραγωγού καθορίζεται βάσει ωριαίων Καμπυλών Υπολειπόμενης Ζήτησης, οι οποίες προσαρμόζονται κατάλληλα, σύμφωνα με την προτεινόμενη από τη διατριβή τροποποίηση, ώστε να αποτυπώνουν και την επίδραση των προσφορών άντλησης στην Οριακή Τιμή Συστήματος (ΟΤΣ). Η μέθοδος αποτελεί την πρώτη αναφορά στη σχετική βιβλιογραφία για τον ετήσιο στοχαστικό προγραμματισμό ενός υδροηλεκτρικού παραγωγού με ισχύ στην αγορά με θεώρηση της αβεβαιότητας τόσο των εισροών όσο και της υπολειπόμενης ζήτηση