Energy operations management for renewable power producers in electricity markets

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.