Stochastic programming in analyses of flexibility in power systems and markets

Abstract

Summary of the thesis

In the research for this thesis, operations research techniques are applied in power markets and systems to investigate the usage of flexibility under conditions of uncertainty. Economic dispatch models and optimal power flow models are used for designing and analyzing power markets and systems. In the economic dispatch models, economic factors and their relations with power markets are analyzed, while in optimal power flow models, answers to power grid operations for voltage and network congestion are searched. During the research, the first research question addressed was how to determine the flexibility concept, products, and services about various power and energy markets. This led to the development of a theoretical and empirical taxonomy for flexibility trading and related market structures. The second question addressed during the research considered how to use flexibility according to two separate systemic approaches, different tariff designs to exploit flexibility usage for reducing peak pricing, and a stochastic optimal scheduling methodology for end user’s flexibility assets to solve grid problems. The third and final question addressed during the research concerned how it is possible to have a cost-efficient and productive local flexibility market design for grid operations under uncertainty.

Answers to the research questions are provided in the four papers that form the basis of this thesis. Paper I explains the taxonomy and provides an overview of flexibility and its products along four dimensions—time, spatiality, resource, and risk profile—according to the market design. Paper II shows how to activate and use flexibility with a dynamic tariff design for peak shaving. Paper III provides solutions to grid problems under uncertainty (i.e., voltage and congestion) by using flexibility from the demand side, storage side, and supply side. Lastly, Paper IV proposes a stochastic local flexibility market design, bidding, and dispatch methodology to contribute grid operations on a local scale.

Sammendrag av avhandlingen

I forskningen for denne avhandlingen brukes operasjonsforskningsteknikker i kraftmarkeder og systemer for å undersøke bruken av fleksibilitet under forhold med usikkerhet. Økonomiske forsendelsesmodeller og optimale strømflytmodeller brukes til å designe og analysere kraftmarkeder og systemer. I de økonomiske forsendelsesmodellene analyseres økonomiske faktorer og deres relasjoner til kraftmarkeder, mens det i optimale kraftstrømmodeller søkes etter svar på kraftnettdrift for spenning og overbelastning av nett. Under undersøkelsen var det første forskningsspørsmålet som ble tatt opp, hvordan man kan bestemme fleksibilitetskonseptet, produktene og tjenestene om ulike kraft- og energimarkeder. Dette førte til utviklingen av en teoretisk og empirisk taksonomi for fleksibilitetshandel og relaterte markedsstrukturer. Det andre spørsmålet som ble adressert under forskningen vurderte hvordan man kan bruke fleksibilitet i henhold til to separate systemiske tilnærminger, ulike tariffdesign for å utnytte fleksibilitetsbruken for å redusere topprising, og en stokastisk optimal planleggingsmetodikk for sluttbrukerens fleksibilitetsressurser for å løse nettproblemer. Det tredje og siste spørsmålet som ble tatt opp under forskningen handlet om hvordan det er mulig å ha et kostnadseffektivt og produktivt lokalt fleksibilitetsmarkedsdesign for nettdrift under usikkerhet.

Svar på forskningsspørsmålene er gitt i de fire paperne som ligger til grunn for denne avhandlingen. Paper I forklarer taksonomien og gir en oversikt over fleksibilitet og dens produkter langs fire dimensjoner – tid, romlighet, ressurs og risikoprofil – i henhold til markedsdesignet. Paper II viser hvordan du aktiverer og bruker fleksibilitet med en dynamisk tariffdesign for toppbarbering. Paper III gir løsninger på nettproblemer under usikkerhet (dvs. spenning og overbelastning) ved å bruke fleksibilitet fra etterspørselssiden, lagringssiden og tilbudssiden. Til slutt foreslår Paper IV en stokastisk lokal fleksibilitetsmarkedsdesign, budgivnings- og utsendelsesmetodikk for å bidra med nettdrift i lokal skala.