Energy operations management for renewable power producers in electricity markets
Elektrik piyasalarında yenilenebilir enerji üreticileri için enerji operasyonları yönetimi
- Tez No: 828111
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞE SELİN KOCAMAN, DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE NADAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Industrial and Industrial Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 203
Özet
Yenilenebilir enerji üretimi son yıllarda dünya genelinde önemli ölçüde artmıştır. Küresel ısınmaya neden olan sera gazı emisyonlarının azaltılması amacıyla oluşturulan politikaların, elektrik sektöründe yenilenebilir enerji üretiminin istikrarlı bir şekilde yaygınlaşmasını sağlaması beklenmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının toplam enerji arzına olan katkısının artmasıyla birlikte yenilenebilir enerji üreticileri, enerji dağıtımı ve satın alımı için belirli bir zaman öncesinden taahhüt kararları vermeleri gereken elektrik piyasalarına katılmaktadır. Ancak, belirli bir zaman öncesinden taahhüt vermek yenilenebilir kaynakların doğasındaki aralıklı üretim, giderek artan değişken elektrik fiyatları ve elektrik piyasalarındaki olası enerji dengesizlikleri kaynaklı ortaya çıkan cezalar nedeniyle karmaşık bir görevdir. Yenilenebilir enerji kaynaklarını enerji depolama üniteleri ile entegre etmek, bu zorlu görevi ele almak için bilinen en etkili yöntemlerden biridir. Son yıllarda yenilenebilir enerji santralleri ve enerji depolama ünitelerinin birlikte kullanımının artmasından hareketle bu tezde, bataryaya sahip olan bir rüzgâr enerjisi üreticisinin enerji taahhüdü, üretimi ve depolama problemi ele alınmıştır. Bu üretici, saatlik taahhütler ve uzlaşmalar ile işleyen bir spot elektrik piyasasına katılmaktadır. Her zaman diliminde, üretici, bir sonraki zaman diliminde piyasaya satmak veya piyasadan satın almak için ne kadar enerji taahhüt edeceğine, rüzgâr enerjisi santralinde ne kadar enerji üreteceğine ve bataryada ne kadar depolayacağına veya bataryadan ne kadar enerji kullanacağına karar vermektedir. Bataryanın varlığı, değişken rüzgâr çıkışından kaynaklanan dengesizlikleri düzeltmeye yardımcı olmakta ve aynı zamanda üreticinin piyasadaki fiyat değişikliklerine yanıt vermesini sağlamaktadır. Rüzgâr enerjisi üreticisinin problemi, rüzgâr hızındaki belirsizlikler ve elektrik fiyatları da dikkate alınarak bir Markov karar süreci olarak formüle edilmiştir. Tezin ilk bölümünde, iki farklı durum ele alınmıştır: İlk durumda, üretici, son kullanılabilir bilgilere dayanarak taahhütlerinden sapmayı seçebilir ve bu sapmaları desteklemek amacıyla bataryayı kullanabilir. İkinci durumda ise üretici, bataryayı taahhütlerini yerine getirmek için yedek bir kaynak olarak kullanır. Her durum için sistem bileşenlerinin, dengesizlik fiyatlandırma parametrelerinin ve negatif fiyatların, üreticinin kârlılığı, rüzgâr enerjisi kesilme kararları ve üreticinin dengesizlik eğilimleri üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Bu çalışma, yenilenebilir enerji üreticilerine, enerji depolama kullanım kararlarını değerlendirmelerinde ve güç sistemi operatörlerine, üreticilerin depolama kapasiteleri ile piyasadaki davranışlarını anlamarında yönetimsel bir bakış açısı sunmaktadır. Tezin ikinci bölümünde, eniyi kâr fonksiyonunun süpermodülerlik ve ortak içbükeylik gibi çok boyutlu yapısal özellikleri gösterilmiştir. Böylece, mükemmel verimli sistem ve pozitif elektrik fiyatları varsayımları altında depolama ve taahhüt kararları için duruma bağlı eşik politikasının eniyi olduğu kanıtlanmıştır. Bu politika yapısı kullanılarak, batarya ve iletim hattının mükemmel verimli olmayabileceği ve fiyatın negatif olabileceği daha genel bir problemi çözmek için iki sezgisel çözüm yöntemi geliştirilmiştir. Veri kalibreli örneklerle yapılan sayısal deneyler, geliştirilen çözüm yönteminin yüksek verimliliğini ve ölçeklenebilirliğini ortaya koymaktadır. Tezin üçüncü bölümünde, eniyi kâr fonksiyonunun ortak içbükeylik özelliği gösterilerek batarya ve iletim hattı verimlilik kayıplarını hesaba katan eniyi enerji taahhüt, üretim ve depolama politika yapısı sunulmuştur. Tezin son bölümünde, belirli bir zaman önceden taahhüt verilmeksizin gerçek zamanlı elektrik ticaretine izin veren alternatif bir durum ele alınmıştır. Bu durumun toplam nakit akışları ile orijinal problemin nakit akışları analitik olarak karşılaştırılmıştır. Üreticinin önceden verdiği taahhüt kararlarının, enerji depolama ve üretim kararları üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Renewable energy generation has grown dramatically around the world in recent years, and policies targeted at reducing greenhouse gas emissions that cause global warming are expected to ensure a consistent expansion of renewable power generation in the electricity sector. With the increasing contribution of renewable sources to the overall energy supply, renewable power producers participate in electricity markets where they are imposed to make advance commitment decisions for energy delivery and purchase. Making advance commitments, however, is a complex task due to the inherent intermittency of renewable sources, increasingly volatile electricity prices, and penalties incurred for possible energy imbalances in electricity markets. Integrating renewable sources with energy storage units is among the most effective methods to address this challenging task. Motivated by the recent trends of paired renewable energy generators and storage units, we study the energy commitment, generation and storage problem of a wind power producer who owns a battery and participates in a spot market operating with hourly commitments and settlements. In each time period, the producer decides how much energy to commit to selling to or purchasing from the market in the next time period, how much energy to generate in the wind power plant, and how much energy to charge into or discharge from the battery. The existence of the battery not only helps smooth out imbalances caused by the fluctuating wind output but also enables the producer to respond to price changes in the market. We formulate the wind power producer's problem as a Markov decision process by taking into account the uncertainties in wind speed and electricity price. In the first part of this dissertation, we consider two different problem settings: In the first setting, the producer may choose to deviate from her commitments based on the latest available information, using the battery to support such deviations. In the second setting, the producer is required to fulfill her commitments, using the battery as a back-up source. We numerically examine the effects of system components, imbalance pricing parameters, and negative prices on the producer's profits, curtailment decisions, and imbalance tendencies in each problem setting. We provide managerial insights to renewable power producers in their assessment of energy storage adoption decisions and to power system operators in their understanding of the producers' behavior in the market with their storage capabilities. In the second part of this dissertation, we establish several multi-dimensional structural properties of the optimal profit function such as supermodularity and joint concavity. This enables us to prove the optimality of a state-dependent threshold policy for the storage and commitment decisions under the assumptions of a perfectly efficient system and positive electricity prices. Leveraging this policy structure, we construct two heuristic solution methods for solving the more general problem in which the battery and transmission line can be imperfectly efficient and the price can also be negative. Numerical experiments with data-calibrated instances have revealed the high efficiency and scalability of our solution procedure. In the third part of this dissertation, we characterize the optimal policy structure by taking into account the battery and transmission line efficiency losses and showing the joint concavity of the optimal profit function. In the last part of this dissertation, we consider an alternative problem setting that allows for real-time trading without making any advance commitment. We analytically compare the total cash flows of this setting to those of our original problem setting. We conclude with a numerical investigation of the effect of advance commitment decisions on the producer's energy storage and generation decisions.
Benzer Tezler
- Elektrik enerjisi piyasaları ve çimento sektöründe elektrik enerjisi tüketim tahmininin önemi
Electricity markets and the importance of electricity consumption forecasting in cement sector
EZGİ KAYAHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERMİN ONAYGİL
- Rüzgar hızı yük tahmin modelleri ve Yalova bölgesinde bir uygulama
Wind speed load forecasting models and an application in Yalova
ZELİHA NUR KİRİŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER FARUK BEYCA
- Optimized power control strategy for a proton exchange membrane fuel cell system
Proton değişim membranlı yakıt hücresi sistemi için optimize edilmiş güç kontrol stratejisi
ÖMER BURAK SARIÇAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Development of a home energy management system to increase renewable self-consumption in households considering demand-side flexibility
Talep tarafı esnekliği dikkate alınarak konutlarda yenilenebilir öz tüketimi artırmaya yönelik bir ev enerji yönetim sistemi geliştirilmesi
ANIL CAN DUMAN
Doktora
İngilizce
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖNDER GÜLER
- Elektrikli araçların dağıtım şebekesine etkisinin maliyet analizi ve genetik algoritma ile en iyileştirilmesi
Effects of electric vehicles on distribution network, cost analysis and optimization with genetic algorithm
HAZAL ÇİFTÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELGİN EMRE TÜRKAY