Day-Ahead Bidding with Multiple Short-Term Markets

Framtidens europeiske kraftsystem forventes å omfatte en økende andel uregulerbar fornybar kraft, slik som vind- og solkraft. Dette vil gi økt variabilitet i daglig produksjon. Samtidig forventes sterkere integrasjon, både fysisk ved utbygging av overføringskapasitet og markedsmessig ved harmonisering av nasjonale og regionale kraftmarkeder. EUs klimamål og frihandelsmål er sentrale drivere for denne utviklingen. Vannkraft er en verdifull ressurs i kraftsystemet, både som en fornybar kraftkilde og på grunn av sin korte responstid for produksjonsendringer. Denne fleksibiliteten muliggjør balansering av uregulerbar produksjon, og kan dermed bidra til å opprettholde driftssikkerheten i kraftsystemet. Tradisjonelt omsettes norsk kraft i hovedsak i spotmarkedet hvor det handles for påfølgende dag. Med økt variabilitet innenfor dagen vil handelen i kortsiktige kraft-, reserve- og regulerkraftmarkeder øke. For vannkraftprodusenter gir dette både muligheter og utfordringer. Tidligere forskning indikerer at vannkraftprodusenter kan øke verdien av ressursene sine ved å aktivt delta i flere av disse kortsikte markedene. Samtidig vil flere avsetningsmuligheter komplisere produksjonsplanleggingen, særlig når mye skjer på kort tid. Hovedmålet med prosjektet har vært å utvikle metoder og støtteverktøy for vannkraftprodusenters budgivning til spotmarkedet som samtidig tar hensyn til alternative kortsiktige markeder. Prosjektet har særlig vektlagt intradag og regulerkraftmarkedene som alternative markeder. Sentrale forskningsutfordringer har vært: 1. Modellering av usikkerhet: hvordan modellere usikkerheten i ulike markedspriser på en konsistent måte? 2. Flermarkeds modellering: under hvilke betingelser har det en verdi å hensynta flere markeder ved spot-budgivning? 3. Vannkraft budgivning: hvordan beregne budkurver for spot-handel i detaljerte støtteverktøy for vannkraftproduksjon? 4. Beslutningsstøtte for flermarkedshandel: hvilke utfordringer møter man ved introduksjon av flermarkedshandel i detaljerte planleggingsverktøy for vannkraft? Forskningsarbeidet baserte seg i stor grad på utvikling og bruke av matematisk programmeringsmodeller, både med forenklede forskningsmodeller og detaljerte planleggingsverktøy. Prosjektet har utviklet og testet metoder for å bygge scenariotrær for markedspriser, som gir en diskret representasjon av fordelingen for framtidig markedspris. Videre er en prototyp for budgivning i spotmarkedet utviklet som en ny modul knyttet til et detaljert planleggingsverktøy. Et simuleringsrammeverk er utviklet som kan brukes til å simulere dynamikken i informasjonstilgang og beslutninger gjennom et rullerende-horisont oppsett. Rammeverket er brukt til å simulere flermarkedshandel med et detaljert planleggingsverktøy for å evaluere verdien ved å kunne handle i flere markeder under ulike forutsetninger, samt observere hvordan planleggingsverktøyet funger for flermarkedshandel og hvilke bruksmønstre som er hensiktsmessig. To PhD-kandidater har gjennomført sitt PhD-arbeid i prosjektet. De to avhandlingene har titlene "Stochastic programming for short-term hydropower scheduling and bidding" og "Dynamic Electricity Market Games". Både PhD-arbeider og øvrige prosjektresultater er presentert i konferanser, artikler og rapporter, samt i egenorganiserte workshops med industrirepresentanter, forskere og studenter.

Nye forskere ved både SINTEF og NTNU har blitt kjent med korttids planlegging og handel med vannkraft, noe som øker robustheten til et relativt lite fagmiljø som er viktig for norsk vannkraftindustri. Dessuten har samarbeidet bidratt til økt forståelse av perspektiver som kobler ingeniørfaglige hensyn med markedsforståelse. PhD-kandidatenes utenlandsopphold, samt organisering av to workshops har bidratt til å utvide og styrke kontaktflatene til internasjonale forskningsmiljøer, noe som forventes å styrke internasjonalt samarbeid i videre forskning. Som arena for kunnskaps- og erfaringsutveksling for akademikere og industri antas projektet å ha vært en medvirkende motivasjon for industriinterne prosjekter knyttet til vannkraftbudgivning. Videre har prosjektet utviklet kunnskap om modellering av kortsiktig handel med vannkraft som forventes å få betydning for videre utvikling innen vannkraftoptimering, særlig rettet mot ambisjoner om robothandel og ved simulering av nye markedsdesign.

The European power system is expected to become more integrated and include a larger share of intermittent renewable production. This development is driven by EU environmental targets and ambitions. In Norway, new cables to Europe, tighter market coupling and increased contributions from intermittent production is expected to give increased price volatility, larger volumes and higher prices in balancing markets. This will increase the importance and profit potential of a consistent view on trade in all short-term markets. The producers' ability to optimally bid their resources in a broad and complex range of markets is a premise for the efficient utilization of Norwegian hydropower resources and the ability to provide balancing flexibility to the system. This project aims at learning how hydropower producers should bid in day-ahead markets that are integrated in a sequence of balancing markets. This will be achieved by studying optimal behaviour in short-term markets by the use of research models. The next step will be to extend the detailed hydropower scheduling models currently used by the industry with balancing markets based on the knowledge gained from the research models. Providing a consistent description of market and inflow uncertainty is a premise for both these steps. We define the following major research tasks: 1. Modelling of uncertainty; how to model inflow and prices in the different short-term markets and their interdependence is crucial as this will be the input to the bidding models. 2. Multi-market modelling; there is a need to develop general knowledge about integrated markets, how to model their co-existence and how to obtain consistent and robust bidding strategies. 3. Hydropower bidding model; the modelling of balancing capabilities in the hydropower production system will be aligned with the balancing market extensions.