Variability effect of the renewable generation on the electricity markets performance

Abstract

Modeling and simulation of electricity markets have increasingly involved the use of a System Dynamics (SD) approach. Accordingly, the resulting dynamic hypothesis and the stock-flow structures are represented and simulated using softwares such as: Stella, Powersim, iThink or Vensim. However, the SD models can be exploited even more, the investigation of signals in the time domain or sensitivity analysis are just a small part of the study, SD models are mathematical objects, and as such, they deserve an analytical or numerical study using tools provided by the Dynamic Systems (DS) methodology. Therefore, this thesis not only study the dynamic hypothesis or the stock-flow structure of an electricity market model in the classical form, but also use its inner mathematical object to provide a deeper insight into the system. Using MATLAB/Simulink the system is assessed from different approaches not yet reported in the literature. This combining methodology of SD and DS approaches can open the door to a new and alternative method of analysis for electricity market models and even for any SD model. In fact, this thesis demonstrates that with this combining methodology it is able to develop more detailed analysis strategies and novel insights from the SD models, which can be easily exploited by policy makers to suggest improvements in regulation or market structures. Indeed, taking into account that the energy market is evolving, a series of macro and micro structural changes are impacting demand, and the world is experiencing a shift to renewable energy, we consider as a case study a simpli�ed version of the Colombian electricity market to also provide a detailed description of its dynamics under a broad range of growth rate of demand (GRD) and different variable and permanent (VP) generation capacity scenarios. Our study inspired by the bifurcation and control theory of DS mainly show that Colombia really needs new capacity before 2020 in order to avoid very likely rationing events expected to occur in the short and long term. In fact, our proposed control algorithms reveal that proportional-integral-derivative (PID) controllers can be successfully applied to any SD model as well as avoid or control the undesired behaviors caused by the variability associated with renewable generation; in particular, it was shown that an adequate amount of capacity investments can signi�cantly improve the electricity market performance of our case study.

Rersumen: La modelación y simulación de mercados eléctricos ha implicado, con creciente popularidad, el uso de un enfoque de Dinámica de Sistemas (SD). En consecuencia, la hipótesis dinámica resultante y los diagramas de flujos y niveles se han representado y simulado utilizando softwares tales como: Stella, Powersim, iThink o Vensim. Sin embargo, los modelos en SD pueden ser explotados aún más, la investigación de sus señales en el dominio del tiempo o el análisis de sensibilidad son tan sólo una pequeña parte del estudio, los modelos en SD son objetos matemáticos y como tal, merecen un estudio analítico o numérico utilizando herramientas proporcionadas por la metodología de Sistemas Dinámicos (DS). Por lo tanto, esta tesis no sólo estudia la estructura de la hipótesis dinámica o el comportamiento de los diagramas de flujos y niveles de un modelo de mercado de electricidad en la forma clásica, sino que también utiliza su objeto matemático interno para proporcionar una visión más profunda del sistema. Utilizando MATLAB/Simulink, el sistema se evalúa a partir de diferentes enfoques que aún no se han publicado en la literatura. Esta metodología de combinación de los enfoques de SD y DS puede abrir la puerta a un nuevo y alternativo método de análisis para modelos de mercado de electricidad e incluso para cualquier modelo de SD. De hecho, esta tesis demuestra que con esta metodología de combinación de enfoques es posible desarrollar estrategias de análisis más detalladas y nuevas visiones de los modelos de SD, que pueden ser fácilmente explotados por los tomadores de decisiones para sugerir mejoras a la regulación o a la estructura del mercado. Además, teniendo en cuenta que el mercado de energía está evolucionando, que una serie de cambios macro y micro estructurales están impactando la demanda, y que el mundo está experimentando un cambio hacia a la energía renovable, consideramos como caso de estudio una versión simpli�cada del mercado de electricidad Colombiano para proporcionar una descripción detallada de su dinámica ante una amplia gama de escenarios de tasa de crecimiento de la demanda (GRD) y diferentes escenarios de capacidad de generación variable y permanente (VP). Nuestro estudio, que ha sido inspirado en la teoría de bifurcaciones y la teoría de control de DS, principalmente muestra que Colombia necesita con urgencia nueva capacidad antes del 2020 para evitar eventos de racionamiento bastante probables que se esperan en el corto y largo plazo. De hecho, nuestros algoritmos de control propuestos revelan que los controladores proporcional-integral-derivativo (PID) pueden ser aplicados con éxito a cualquier modelo de SD, así como evitar o controlar los comportamientos no deseados causados por la variabilidad de la generación renovable; en particular, se demostró que una cantidad adecuada de inversiones en capacidad puede mejorar signifi�cativamente el rendimiento del mercado eléctrico de nuestro caso de estudio.