Co-optimization models of generation and transmission investments with market-clearing equilibrium

Abstract

İletim ve üretim yatırımlarının ortak-eniyilemesi için kullanılan yöntemler (örn., iki- veya çok-seviyeli problemleri) piyasa operasyonlarıyla elektrik arzı ve talebi arasındaki ödeşmeyi de dikkate alır. Oldukça genel koşullar altında bu çok seviyeli modellerin tamamlama problemleri kullanılarak eş zamanlı çözümü, kademeli eniyileme yöntemlerine veya üretim ya da iletim yatırımının tek seviyeli eniyilemesine göre daha yararlı sonuçlar verebilir. Bu yüzden bu çalışmada piyasa-takas modeli içeren iletim ve üretim yatırımı modelleri için karışık tamamlama problemi formülasyonları geliştirilmiştir.Bu çalışma, ortak-eniyileme modellerini tek-seviyeli karışık tamamlama ve iki-seviyeli programlama problemleri olarak ele almaktadır. İki-seviyeli problemin üst seviyesinde sistem yöneticisi, problemin alt seviyesindeki kararları da gözlemleyerek iletim yatırımı planları arasında karar vermektedir. Alt seviye problemler tam rekabet modellerinden Cournot oyunlarına kadar incelenen, üretim yatırımı modellerini ve piyasada üreticiler arasında oligopolistik rekabeti sergilemektedir. Bu model özünde elektrik piyasalarında, piyasadaki arz-talep dengesi ve sistem yöneticisi ile üreticilerin davranışlarını inceleyen eniyileme koşullarıyla tanımlanan bir ekonomik denge problemidir. Bu modeller üretim/iletim yatırımlarını planlamak ve bu yatırımlarla piyasa çıktılarını incelemek için kullanışlı olacaktır. Piyasa çıktıları ve yatırım kararları hem 6 –baralı bir test sistemi hem de Türkiye elektrik piyasası için ve iki farklı piyasa yapısı altında (Cournot ve tam rekabet) benzetilmiştir. Bunun yanısıra, Türkiye elektrik piyasası için karbon maliyetleri ile yenilenebilir destek mekanizmalarını dikkate alarak oluşturulmuş dört farklı senaryoya göre Aralık 2020 için piyasa benzetimi gerçekleştirilmiş ve sonuçlar sunulmuştur. Karbon maliyetleri ve yenilenebilir destek mekanizmalarını birlikte içeren senaryo, içermeyen senaryo veya güncel duruma göre sosyal refah açısından daha iyi sonuçlar vermiştir.

Methods for co-optimizing transmission and generation investments, including bi-level or multi-level problems, consider trade-offs with market operations and interactions in electric power supply and demand. Under fairly general conditions, it is known that simultaneous solution of these multi-level models using complementarity problems can give more useful results than iterative optimization methods or single-level optimization of generation or transmission expansion alone. Hence, in this thesis, we provide mixed complementarity problem formulations for transmission and generation expansion models with electricity market-clearing models.In this study, we have considered co-optimization models formulated as bi-level programming problems as well as single-level mixed complementarity problems. In the upper level of the bi-level problem, the system operator decides on the transmission expansion plans while anticipating the decisions in the lower level of the problem. The lower level problems present models of generation expansion and oligopolistic competition among power generators in the market, where we examine perfect competition models to Cournot game among generators. This model is essentially an economic equilibrium problem for electricity markets that is defined by the optimality conditions that examine system operator's and generators' expansion behavior along with supply-demand balance in the market. These models will be handful for planning generation/transmission expansions, and analyzing the relations between these expansions and the market outcomes. We have simulated market outcomes and expansion decisions in a 6-bus test system and a realistic Turkish electricity market under two different market structures (perfect competition and Nash-Cournot). Furthermore, four different scenarios considering carbon costs and feed-in-tariffs (FIT) for Turkish electricity market for December 2020 are simulated and results are examined. Scenario considering both carbon costs and FIT have provided relatively better results in terms of social welfare.