mathematical modeling and solution approaches for balancing turkish electricity day ahead market ...

113 Pages·2015·0.89 MB·English

MATHEMATICALMODELINGANDSOLUTIONAPPROACHESFOR
BALANCINGTURKISHELECTRICITYDAYAHEADMARKET
ATHESISSUBMITTEDTO
THEGRADUATESCHOOLOFNATURALANDAPPLIEDSCIENCES
OF
MIDDLEEASTTECHNICALUNIVERSITY
BY
S˙INANYÖRÜKOG˘LU
INPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTS
FOR
THEDEGREEOFMASTEROFSCIENCE
IN
INDUSTRIALENGINEERING
SEPTEMBER2015

Approvalofthethesis:
MATHEMATICALMODELINGANDSOLUTIONAPPROACHESFOR
BALANCINGTURKISHELECTRICITYDAYAHEADMARKET
submittedbySI˙NANYÖRÜKOG˘LUinpartialfulfillmentoftherequirementsforthe
degree of Master of Science in Industrial Engineering Department, Middle East
TechnicalUniversityby,
Prof. Dr. GülbinDuralÜnver
Dean,GraduateSchoolofNaturalandAppliedSciences
Prof. Dr. MuratKöksalan
HeadofDepartment,IndustrialEngineering
Assoc. Prof. Dr. ZeynepMügeAvs¸ar
Supervisor,IndustrialEngineeringDepartment,METU
Dr. BoraKat
Co-supervisor,TÜBI˙TAK
ExaminingCommitteeMembers:
Assist. Prof. Dr. MustafaKemalTural
IndustrialEngineeringDepartment,METU
Assoc. Prof. Dr. HakanGültekin
IndustrialEngineeringDepartment,TOBBETU
Assoc. Prof. Dr. ZeynepMügeAvs¸ar
IndsutrialEngineeringDepartment,METU
Assist. Prof. Dr. BanuLokman
IndustrialEngineeringDepartment,METU
Assist. Prof. Dr. Kürs¸adDerinkuyu
LogisticsManagementDepartment,Universityof
TurkishAeronauticalAssociation
Date:
I hereby declare that all information in this document has been obtained and
presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare
that,asrequiredbytheserulesandconduct,Ihavefullycitedandreferencedall
materialandresultsthatarenotoriginaltothiswork.
Name,LastName: S˙INANYÖRÜKOG˘LU
Signature :
iv
ABSTRACT
MATHEMATICALMODELINGANDSOLUTIONAPPROACHESFOR
BALANCINGTURKISHELECTRICITYDAYAHEADMARKET
Yörükog˘lu,S˙ınan
M.S.,DepartmentofIndustrialEngineering
Supervisor : Assoc. Prof. Dr. ZeynepMügeAvs¸ar
Co-Supervisor : Dr. BoraKat
September2015,95pages
IntheTurkishElectricityMarket,electricitytradeiscarriedoutlargelythroughBilat-
eralAgreementsandtheemergingshorttermimbalancesaresettledintheBalancing
PowerMarket,particularlytheDayAheadMarket. IntheDayAheadMarket,thepar-
ticipants submit their bids for each hour of the next day in the form of price-quantity
pairs and the Market Operator evaluates those bids using an optimization tool. After
the evaluation of the bids, a Market Clearing Price at every hour of the next day and
the accepted bids are announced. In this thesis, a mathematical model for balancing
a day in the Turkish Electricity Day Ahead Market is proposed. All types of bids,
including hourly, block and flexible bids, are included in the model. As the objec-
tive function of the model, “total economic welfare”, which is the sum of consumer
surplusandproducersurplus,isused. Inthemodel,“paradoxicallyrejectedblockor-
ders”arealsotakenintoconsiderationandabi-criteriasolutionapproachisproposed
forthispurpose. Anextensionofthissolutionmethodisalsoappliedasasecondap-
proach. Sincetheproposedmodelisamixedintegernon-linearprogrammingmodel,
a linearapproximation to the objective function is proposedin order toovercome the
possible problems at the solution phase. Both models are tested by using several dif-
ferent,generateddatasets,andapplyingtheproposedbi-criteriasolutionapproaches.
Bothsolutionapproachesincludetotaleconomicwelfareandthenumberofparadox-
ically rejected block orders as the two criteria. The results and performance of the
proposedmethodsandmodelsarediscussedattheendofthestudy.
v
Keywords: Electricity Sector, Day Ahead Market, Mixed Integer Non-linear Pro-
gramming,ParadoxicallyRejectedOrders,Balancing/Clearing
vi
ÖZ
TÜRK˙IYEGÜNÖNCES˙IELEKTR˙IKP˙IYASASIDENGELEMES˙I˙IÇ˙IN
MATEMAT˙IKSELMODELLEMEVEÇÖZÜMYAKLAS¸IMLARI
Yörükog˘lu,S˙ınan
YüksekLisans,EndüstriMühendislig˘iBölümü
TezYöneticisi :Doç.Dr.ZeynepMügeAvs¸ar
OrtakTezYöneticisi :Dr.BoraKat
Eylül2015,95sayfa
TürkiyeElektrikPiyasası’nda,elektrikticaretininbüyükbirkısmıuzundönemli˙Ikili
Anlas¸malar vasıtası ile yapılmakta, bu anlas¸malar sonrasında olus¸an kısa süreli den-
gesizlikler ise bas¸ta Gün Öncesi Piyasası olmak üzere, Dengeleme Güç Piyasası’nda
giderilmektedir. Gün Öncesi Piyasası’nda, katılımcıların bir sonraki günün her bir
saati için ayrı ayrı fiyat-miktar ikilileri s¸eklinde verdig˘i teklifler, Piyasa ˙Is¸letmecisi
tarafından bir optimizasyon aracı kullanılarak deg˘erlendirilir. Bu deg˘erlendirme so-
nucunda, ertesi günün her bir saati için bir Piyasa Takas Fiyatı ve bu fiyata bag˘lı
olarak kabul edilen teklif miktarları açıklanır. Bu çalıs¸mada Türkiye Gün Öncesi Pi-
yasası’nınbirgünlükdengelenmesiiçinmatematikselbirmodelönerilmis¸tir.Bumo-
delde piyasadaki tüm teklif tipleri (saatlik, blok ve esnek teklifler) dikkate alınmak-
tadır. Modelin amaç fonksiyonu olarak, tüketici fazlası ve üretici fazlasının toplamı
olan “toplam ekonomik refah” kullanılmıs¸tır. Modelin çözümünde ‘paradoksal red-
dedilenblokteklifler’idegözönünealınmıs¸ vebuamaçlaçiftkriterlibirçözümyak-
las¸ımı olus¸turulmus¸tur. ˙Ikinci bir çözüm yaklas¸ımı olarak, ilk yöntemin bir uzantısı
kullanılmıs¸tır.Önerilenmatematikselmodelinkarıs¸ıktamsayılıdog˘rusalolmayanbir
model olmasından kaynaklanan çözüm as¸amasındaki olası güçlükleri gidermek için
amaç fonksiyonunun dog˘rusal yaklas¸tırması da önerilmis¸ ve bu modeller olus¸turu-
lan farklı veri setleri üzerinden, önerilen çift kriterli çözüm yaklas¸ımları kullanılarak
test edilmis¸tir. Çözüm yaklas¸ımlarındaki iki kriter olarak, toplam ekonomik refah ve
vii
paradoksal reddedilen blok teklif sayısı belirlenmis¸tir. Çalıs¸manın sonunda, önerilen
yöntemlerinsonuçlarıveperformansıtartıs¸ılmıs¸tır.
Anahtar Kelimeler: Elektrik Piyasası, Gün Öncesi Piyasası, Karıs¸ık Tamsayılı Dog˘-
rusalOlmayanProgramlama,ParadoksalReddedilenTeklifler,Dengeleme
viii
Tomyfamily
ix
ACKNOWLEDGMENTS
First of all, I would like thank my supervisor Assoc. Prof. Dr. Zeynep Müge Avs¸ar
for her continuous support, patiance and guidance during my study. She has been a
very good and helpful instructor throughout the process. Also, I am thankful to my
co-supervisor Dr. Bora Kat, who put a great deal of effort to help me especially with
thedatagenerationandmodellingphases.
Iwouldalsoliketothanktheexaminingcommitteemembersfortheirvaluablecom-
mentsandcontributionstothisstudy.
IhavetomentionTEIASanditsBoardofDirectorshere,whomademyworkalmost
impossible by NOT providing any real data to test my model just because they ass-
sume that I will violate the confidentiality agreement (because they would?) that we
weresupposedtosign.
I owe special thanks to my managers and collegues at AF Mercados EMI for letting
mecontinueandfinishmymaster’sstudy.
I would also like thank TÜB˙ITAK for providing a financial support during the first
twoyearsofmygraduatestudy.
Also,Iwouldliketoexpressmydeepestgratitudetomygirlfriend,MerveBaksi,for
supporting and encouraging me throughout the whole period I was working on my
thesis. Iwouldn’thavethemotivationtocompletemythesiswithouther.
Lastbutnotleast,Iamverygratefultomyparentsandmywholefamilyfortheirlove
andsupportthroughmyentirelife,decisionsandambitions.
x