Electricity markets modeling considering complex contracts and aggregators

All over the world, the liberalization of electricity markets, which follows different paradigms, has created new challenges for those involved in this sector. In order to respond to these challenges, electric power systems suffered a significant restructuring in its mode of operation and planning. This restructuring resulted in a considerable increase of the electric sector competitiveness. Particularly, the Ancillary Services (AS) market has been target of constant renovations in its operation mode as it is a targeted market for the trading of services, which have as main objective to ensure the operation of electric power systems with appropriate levels of stability, safety, quality, equity and competitiveness. In this way, with the increasing penetration of distributed energy resources including distributed generation, demand response, storage units and electric vehicles, it is essential to develop new smarter and hierarchical methods of operation of electric power systems. As these resources are mostly connected to the distribution network, it is important to consider the introduction of this kind of resources in AS delivery in order to achieve greater reliability and cost efficiency of electrical power systems operation. The main contribution of this work is the design and development of mechanisms and methodologies of AS market and for energy and AS joint market, considering different management entities of transmission and distribution networks. Several models developed in this work consider the most common AS in the liberalized market environment: Regulation Down; Regulation Up; Spinning Reserve and Non-Spinning Reserve. The presented models consider different rules and ways of operation, such as the division of market by network areas, which allows the congestion management of interconnections between areas; or the ancillary service cascading process, which allows the replacement of AS of superior quality by lower quality of AS, ensuring a better economic performance of the market. A major contribution of this work is the development an innovative methodology of market clearing process to be used in the energy and AS joint market, able to ensure viable and feasible solutions in markets, where there are technical constraints in the transmission network involving its division into areas or regions. The proposed method is based on the determination of Bialek topological factors and considers the contribution of the dispatch for all services of increase of generation (energy, Regulation Up, Spinning and Non-Spinning reserves) in network congestion. The use of Bialek factors in each iteration of the proposed methodology allows limiting the bids in the market while ensuring that the solution is feasible in any context of system operation. Another important contribution of this work is the model of the contribution of distributed energy resources in the ancillary services. In this way, a Virtual Power Player (VPP) is considered in order to aggregate, manage and interact with distributed energy resources. The VPP manages all the agents aggregated, being able to supply AS to the system operator, with the main purpose of participation in electricity market. In order to ensure their participation in the AS, the VPP should have a set of contracts with the agents that include a set of diversified and adapted rules to each kind of distributed resource. All methodologies developed and implemented in this work have been integrated into the MASCEM simulator, which is a simulator based on a multi-agent system that allows to study complex operation of electricity markets. In this way, the developed methodologies allow the simulator to cover more operation contexts of the present and future of the electricity market. In this way, this dissertation offers a huge contribution to the AS market simulation, based on models and mechanisms currently used in several real markets, as well as the introduction of innovative methodologies of market clearing process on the energy and AS joint market. This dissertation presents five case studies; each one consists of multiple scenarios. The first case study illustrates the application of AS market simulation considering several bids of market players. The energy and ancillary services joint market simulation is exposed in the second case study. In the third case study it is developed a comparison between the simulation of the joint market methodology, in which the player bids to the ancillary services is considered by network areas and a reference methodology. The fourth case study presents the simulation of joint market methodology based on Bialek topological distribution factors applied to transmission network with 7 buses managed by a TSO. The last case study presents a joint market model simulation which considers the aggregation of small players to a VPP, as well as complex contracts related to these entities. The case study comprises a distribution network with 33 buses managed by VPP, which comprises several kinds of distributed resources, such as photovoltaic, CHP, fuel cells, wind turbines, biomass, small hydro, municipal solid waste, demand response, and storage units.

A liberalização dos mercados de energia elétrica, considerando de diferentes paradigmas, cria novos desafios para as entidades que operam neste sector. Em resposta a estes desafios, os sistemas elétricos de energia sofreram uma reestruturação significativa no seu modo de operação e planeamento. Este processo de reestruturação originou num aumento considerável da competitividade do sector elétrico. Como parte integrante dos mercados elétricos, o mercado de serviços de sistema tem vindo a ser alvo de constantes remodelações no seu modo de operação, visto ser um mercado direcionado para a negociação de serviços que possuem como principal objetivo assegurar a exploração dos sistemas elétricos de energia com níveis apropriados de estabilidade, segurança, qualidade, igualdade e competitividade. Neste sentido, com a crescente penetração de recursos energéticos distribuídos nomeadamente a produção distribuída, a gestão da procura (demand response), as unidades de armazenamento de energia elétrica e os veículos elétricos, torna-se imprescindível desenvolver novas metodologias de operação dos sistemas elétricos de energia, mais inteligentes e hierarquizadas. Estando estes recursos maioritariamente ligados à rede de distribuição, é importante considerar a sua introdução no fornecimento de serviços de sistema com o objetivo de obter uma maior fiabilidade e eficiência nos custos de operação dos sistemas elétricos. O principal contributo deste trabalho é a conceção e desenvolvimento de metodologias e mecanismos de mercado de serviços de sistema e de mercados conjuntos de energia e serviços de sistema, considerando as diferentes entidades de gestão das redes de transmissão e distribuição. Os vários modelos desenvolvidos neste trabalho consideram os serviços de sistema mais comuns em ambiente de mercado liberalizado: Regulation Down; Regulation Up; Spinning Reserve; e Non-Spinning Reserve. Os modelos apresentados consideram diferentes regras e modos de funcionamento como a divisão do mercado em áreas da rede, que permite uma gestão do congestionamento nas interligações entre as áreas, ou o processo de cascata de serviços de sistema (ancillary services cascading process), que permite a substituição de serviços de sistema de qualidade superior por serviços de sistema de qualidade inferior, assegurando um melhor desempenho económico do mercado. Um grande contributo deste trabalho reside no desenvolvimento de uma metodologia inovadora de encontro de ofertas a ser utilizada no mercado conjunto de energia e serviços de sistema, capaz de garantir soluções viáveis e exequíveis em mercados onde existam restrições técnicas na rede de transmissão que impliquem a sua divisão em áreas ou regiões. O método proposto baseia-se na determinação dos fatores topológicos de Bialek e considera a contribuição do despacho da energia e dos serviços de sistema (Regulation Up, Spinning e Non-spinning reserves) no congestionamento da rede. O uso dos fatores de Bialek em cada iteração da metodologia proposta permite limitar as ofertas existentes no mercado, garantindo sempre que a solução encontrada é exequível em qualquer contexto de operação do sistema. Outro aspeto importante neste trabalho é a modelação de recursos energéticos distribuídos nos serviços de sistema. Neste sentido, um Virtual Power Player (VPP) é considerado a fim de agregar, gerir e interagir com os recursos energéticos distribuídos. O VPP gere as necessidades dos agentes agregados, podendo fornecer serviços de sistema ao operador do sistema, tendo como principal finalidade a participação no mercado de eletricidade. Para assegurar a sua participação nos serviços de sistema, o VPP deverá ter um conjunto de contratos com os agentes agregados que incluirão um conjunto de regras diversificadas e adequadas a cada tipo de recurso distribuído. Todas as metodologias desenvolvidas e implementadas neste trabalho foram integrados no simulador MASCEM. Este é um simulador baseado num sistema multiagente que permite estudar a operação complexa dos mercados de eletricidade. Neste sentido, as metodologias desenvolvidas permitem ao simulador abranger mais contextos de operação do presente e futuro do mercado de eletricidade. Neste ponto de vista, esta dissertação oferece uma enorme contribuição na simulação do mercado de serviços de sistema, baseado em modelos e mecanismos utilizados atualmente em vários mercados reais, bem como na introdução de metodologias inovadores de encontro de ofertas no mercado conjunto de energia e serviços de sistema. Nesta dissertação são apresentados cinco casos de estudo, cada um constituído por vários cenários. O primeiro caso de estudo ilustra a aplicação de simulação de mercado de serviços de sistema considerando várias ofertas de agentes de mercado. A simulação do mercado conjunto de energia e serviços de sistema é exposto no segundo caso de estudo. O terceiro caso de estudo desenvolve uma comparação entre a metodologia de simulação do mercado conjunto em que as ofertas dos agentes para os serviços de sistema é considerado por áreas da rede e uma metodologia de referência. O quarto caso de estudo apresenta a simulação da metodologia do mercado conjunto com base nos fatores topológicos de distribuição de Bialek aplicado a uma rede de transporte de 7 barramentos gerida por um TSO. O último caso de estudo apresenta a simulação do modelo de mercado conjunto em que considera a agregação de pequenos agentes de mercado a um VPP, bem como os contratos complexos associados a estas entidades. Este caso de estudo é constituído por uma rede de distribuição de 33 barramentos gerida por um VPP que comtempla vários tipos de recursos, tais como: unidades fotovoltaicas, cogeração, células de combustível, eólicas, biomassa, mini-hídricas, resíduos sólidos urbanos, demand response, e unidades de armazenamento.