Electricity markets, network and generation evolution towards the decarbonization process of the power systems

The electricity market and power system frameworks are currently being adjusted to account for both the growing energy consumption and the decarbonization of electrical en-ergy production. This evolution is required to cope with the tightening constraints of the power system operation and the further uncertainties introduced by load and renewable en-ergy sources (RES). From the network perspective, the development has to consider the load and RES growth in order to avoid technical limitations. However, increased RES production puts a strain on system flexibility, due to uncorrelation with load demand trend, and to installation mostly located on distribution system. This, in turn, causes a change in power flow direc-tions, resulting in unusual transmission network operating conditions with possible current capacity saturation and overvoltage issues. From the market perspective, the production and consumption schedules, ensuring the minimization of the overall costs as yields of the various market sessions over medium- and short-time horizon, could be subject to further redispatching actions to tackle RES and load forecast errors, and to cope with network constraints and contingencies. Useful methodologies to overcome the aforementioned issues are based on approach-es combining market and network analysis procedures. To these purposes, a complete and detailed concept of the system operation is required from long-term planning to real-time strategies. Therefore, the present doctoral research thesis is concerned with the integrated development, from day-ahead schedule to real-time operations, of electricity markets and transmission systems, as well as the long-term network evolution planning. It is specifically illustrated how market and steady-state simulations can be used to create various methodo-logical frameworks to carry out an appropriate analysis, in accordance with the issues under study. This thesis is divided into six chapters, related to the published or submitted scien-tific papers on the treated topic. The first chapter is the dissertation’s comprehensive introduction. The fundamentals of modern energy and ancillary service markets as well as of network evolution planning are described. In particular, methods and models to develop the aforementioned studies are presented in this chapter, providing a further literature review to pinpoint the respective state-of-the-art. The second chapter is focused on the IEEE 39-bus system, that is suitably modified to include solar and wind generation in the traditional generation mix. The third chapter concerns two methodologies for technical and economic benefit evaluation of net-work development projects. The fourth chapter proposes a generation investment analysis in a deregulated market framework, evaluating the most suitable size and location to maximize the investor economic profit. In the fifth chapter a practical method for calculating operat-ing reserve requirements considering system uncertainties. Furthermore, a procedure for se-curity constrained redispatch optimization problem is proposed. In the last chapter a real case study to evaluate transmission system operator strategies from the energy to the bal-ancing markets is proposed in order to evaluate the secure operation of the transmission sys-tem. The developed research addresses the following issues: • Assessing network evolution planning under load and RES increase, in order to im-prove the social welfare and to reduce redispatching actions. • Accurate reserve requirements sizing, to effectively manage ancillary service provi-sion, fulfilling the network constraints and market mechanisms. • Considering system operator and market participant viewpoints, to evaluate respec-tive planning and operation strategies and their interactions. • Real-case applications, to test the method validity for large-scale system issues.

Oggigiorno la struttura dei mercati e dei sistemi elettrici di potenza sono sotto conti-nua evoluzione per via della crescita dei consumi energetici e del processo di decarbonizza-zione della produzione di energia elettrica. Questa evoluzione è necessaria per far fronte ai vincoli stringenti nel funzionamento delle reti elettriche e alle ulteriori incertezze introdotte dal carico e dalle fonti di energia rinnovabile (FER). Dal punto di vista della rete il suo sviluppo deve considerare la crescita del carico e delle FER al fine di evitare limitazioni tecniche. Tuttavia, l’aumento di produzione da FER mette a dura prova la flessibilità del sistema, per l’indipendenza con l’andamento della do-manda di carico, e per via della sua installazione che è prevalentemente localizzata sul si-stema di distribuzione. Questo, a sua volta, causa un cambiamento delle direzioni dei flussi di potenza, risultando in condizioni operative inusuali del sistema di trasmissione con possi-bili problemi di saturazioni delle portate di corrente e di sovratensione. Dal punto di vista del mercato, i programmi di produzione e consumo, definiti in esito alle sessioni dei vari mercati che vanno dal medio al breve termine assicurando la minimiz-zazione di costi complessivi, potrebbero essere soggetti ad ulteriori azioni di ridispacciamen-to per fronteggiare errori di previsione di carico e FER, vincoli di rete e contingenze. Per queste ragioni, è necessaria una completa e dettagliata visione del funzionamento del sistema dalla programmazione a lungo termine fino alle strategie in tempo reale. Pertan-to, la presente tesi di ricerca di dottorato tratta lo sviluppo integrato dalla programmazione del mercato giorno prima alle operazioni in tempo reale del sistema, così come la program-mazione a lungo termine dello sviluppo del sistema elettrico. In particolare, viene mostrato come le simulazioni di mercato e quelle di regime permanente della rete possono essere im-piegate per sviluppare diversi contesti metodologici per svolgere specifiche analisi in fun-zione della problematica trattata. La tesi in esame è composta da sei capitoli, ognuno dei quali è strutturato sulla base della raccolta delle pubblicazioni scientifiche relativi agli argo-menti esaminati. Il primo capitolo di questa dissertazione fornisce un’introduzione degli argomenti trat-tati, dove vengono introdotti i concetti fondamentali dei moderni mercati elettrici dell’energia e dei servizi di dispacciamento e dei piani di sviluppo dei sistemi di potenza. In particolare, vengono descritti i metodi ed i modelli implementati per trattare i suddetti studi, fornendo un’ampia esaminazione della ricerca bibliografica per evidenziare i rispettivi stati dell’arte. Il secondo capitolo si focalizza sugli studi condotti sulla rete test IEEE 39 nodi, che è stata opportunamente modificata per introdurre produzione da fonte solare ed eolica nel mix del parco di generazione. Nel terzo capitolo vengono proposte due metodologie per la valutazione tecnico-economica dei benefici introdotti dallo sviluppo della rete di trasmis-sione installando una nuova linea elettrica. Nel quarto capitolo viene proposta un’analisi di investimento della generazione in un sistema elettrico liberalizzato, al fine di individuare la taglia e il luogo più idonei che fornisca un guadagno economico all’investitore. Nel quinto capitolo viene descritta una metodologia pratica per determinare i fabbisogni di energia elet-trica sulla base delle incertezze del sistema. Inoltre, viene proposta una procedura per risol-vere un problema di ottimizzazione di security constrained unit commitment and economic redispatch. Nell’ultimo capitolo viene trattato un caso studio reale al fine valutare le strate-gie dell’operatore del sistema di trasmissione dal mercato dell’energia a quello in tempo rea-le per garantire il corretto funzionamento del sistema di trasmissione. La ricerca condotta affronta le seguenti problematiche: • Valutazione di metodologie tecnico-economiche per valutare la pianificazione dello sviluppo di rete in condizioni di crescita di carico e FER, per poter migliorare il so-cial welfare e per ridurre le azioni di ridispacciamento. • Dimensionamento dei fabbisogni di riserva di energia per gestire efficacemente l’approvvigionamento nel mercato dei servizi di dispacciamento, soddisfano i vincoli di rete e dei meccanismi di mercato. • La considerazione delle prospettive dell’operatore del sistema e dei partecipanti del mercato per valutare le rispettive strategie di pianificazione e operazione e le loro in-terazioni. • Applicazioni a casi studio reali, per poter testare la validità del modello per problemi su sistemi di larga scala.