aalto1 untyped-item.component.html
Optimization and time-series models for large-scale integration of variable renewable energy sources
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-04-25
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
40 + app. 76
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 60/2025
Abstract
Traditionally, power systems have consisted of highly predictable loads and controllable generation sources. Global goals to reduce emissions have motivated the large-scale introduction of variable renewable energy sources (VRES) in these systems. VRES such as wind and solar power are less predictable, controllable, and have zero marginal costs. Consequently, the largescale deployment of VRES affects power system adequacy and flexibility requirements as well as the pricing of electricity in day-ahead and intraday markets.
This Dissertation develops optimization and time-series models to answer research questions related to the large-scale integration of VRES in power markets. We build on real power system data to implement autoregressive time-series models with exogenous variables to estimate the impact of wind and solar power on power prices in the Nordic and Northwestern European regions. Moreover, we develop three mathematical optimization models: (i) a bi-level model to optimize capacity payments to flexible conventional generation to reduce expected balancing costs due to the variability of VRES; (ii) a bi-level model to take the perspective of a flexible generator jointly optimizing day-ahead and intraday offerings in the presence of VRES; (iii) a tri-level stochastic adaptive robust optimization model for long-term generation and transmission expansion to meet emission-reduction targets while considering uncertain demand and VRES. For each optimization model (i)-(iii), we develop improved solution methods that make case studies involving detailed power system data computationally feasible.
The main contributions of this Dissertation are as follows. First, the time-series and optimization models expand on the state-of-the-art by accounting for new features, such as intraday market dispatch, additional time scales, or operational details. Second, we develop linearization, reformulation, and decomposition methods to solve the optimization problems efficiently and accurately. Third, applying our time-series and optimization models to real power data from the Nordic and Northwestern European countries, we address research questions on the impact of large-scale integration of VRES on power system adequacy, flexibility requirements, and power market prices. Our insights include e.g. a long-term transmission and generation expansion plan to meet emission-reduction goals as well as estimates about the impact of wind and solar power on day-ahead prices. Such insights can support the design of more effective policies for VRES integration and serve to inform producers and consumers alike on the impact of VRES. The results of the Dissertation have been exploited by other researchers in estimating the impact of VRES in other regions, for example.
Aiemmin sähköjärjestelmät ovat koostuneet hyvin ennakoitavasta kulutuksesta sekä säädettävästä tuotannosta. Globaalit päästövähennystavoitteet ovat johtaneet vaihtelevien uusiutuvien energiamuotojen laaja-alaiseen käyttöönottoon näissä järjestelmissä. Vaihtelevat uusiutuvat energiamuodot kuten tuuli- ja aurinkovoima ovat heikommin ennakoitavia ja säädettäviä eikä niillä ole marginaalituotantokustannuksia. Tästä johtuen näiden laaja-alainen käyttöönotto vaikuttaa sähköjärjestelmien riittävyys- ja joustavuusvaatimuksiin sekä sähkön hinnoitteluun seuraavan päivän ja päivänsisäisissä markkinoissa.
Väitöskirjassa kehitetään uusia optimointi- ja aikasarjamalleja vastaamaan tutkimuskysymyksiin, jotka liittyvät vaihtelevan uusiutuvan energiamuotojen laaja-alaiseen integroimiseen sähköjärjestelmiin. Siksi työssä estimoidaan tuuli- ja aurinkovoiman vaikutuksen sähkönhintoihin pohjoismaalaisissa ja länsieurooppalaisissa sähköjärjestelmissä kehittämällä autoregressiivisen aikasarjamallin ulkopuolisilla muuttujilla. Lisäksi työssä kehitetään seuraavat kolme optimointimallia: (i) kaksitasoinen optimointimalli, joka määrittää kapasiteettimaksut joustaville tuotantomuodoille, jotta sähköjärjestelmän joustavuus ja odotetut kustannukset ovat optimaaliset, (ii) kaksitasoinen optimointimalli, joka optimoi joustavan tuottajan tarjoukset seuraavan päivän ja päivänsisäiselle markkinalle huomoiden uusiutuvan energian vaihtelevuuden, (iii) kolmitasoinen stokastinen ja robusti optimointimalli, joka optimoi pitkänajan tuotanto- ja siirtolinjainvestoinnit päästötavoitteiden saavuttamiseksi huomioiden uusiutuvan energian ja kulutuksen epävarmuuden. Kullekin optimointimallille (i)-(iii) kehitetään tehokkaita ratkaisumenetelmiä numeerisia tapaustutkimuksia varten, joissa käytetään yksityiskohtaista sähköjärjestelmädataa. Väitöskirjassa on kolme pääkontribuutiota. Ensinnäkin aikasarja- ja optimointimallit yleistävät aiempia malleja ottamalla huomioon uusia ominaisuuksia, kuten päivänsisäisen markkinan, aikaulottuvuuden tai uusia tuotannollisia yksityiskohtia. Toiseksi siinä esitetään uusia linearisointi-, reformulointi- ja hajotelmatekniikoita, joiden avulla optimointimallit saadaan ratkaistua nopeasti ja tarkasti. Kolmanneksi se vastaa tutkimuskysymyksiin laajamittaisen uusiutuvan energian integroimiseen sekä sen vaikutuksiin sähkönhintoihin hyödyntämällä pohjoismaalaista ja länsieurooppalaista markkinadataa. Väitöskirjassa tuotetaan tutkimustietoa esimerkiksi päästöjä vähentävästä pitkän aikavälin siirto- ja tuotantokapasiteetin laajentumisesta ja tuuli- ja aurinkovoiman vaikutuksista sähkönhintoihin. Tämä tieto on hyödyttää sekä tuottajia että kuluttajia ja se auttaa suunnittelemaan mekanismeja, joilla uusiutuvan energian lähteitä voidaan integroida helpommin. Väitöskirjan menetelmiä on hyödynnetty muissa tutkimuksissa esimerkiksi arvioitaessa vaihtelevan uusiutuvan energia vaikutuksia muissa maissa.TAvainsanat optimointi, aikasarjamalli, peliteoria, uusiutuva energia, sähköjärjestelmä Aiemmin sähköjärjestelmät ovat koostuneet hyvin ennakoitavasta kulutuksesta sekä säädettävästä tuotannosta. Globaalit päästövähennystavoitteet ovat johtaneet vaihtelevien uusiutuvien energiamuotojen laaja-alaiseen käyttöönottoon näissä järjestelmissä. Vaihtelevat uusiutuvat energiamuodot kuten tuuli- ja aurinkovoima ovat heikommin ennakoitavia ja säädettäviä eikä niillä ole marginaalituotantokustannuksia. Tästä johtuen näiden laaja-alainen käyttöönotto vaikuttaa sähköjärjestelmien riittävyys- ja joustavuusvaatimuksiin sekä sähkön hinnoitteluun seuraavan päivän ja päivänsisäisissä markkinoissa.
Väitöskirjassa kehitetään uusia optimointi- ja aikasarjamalleja vastaamaan tutkimuskysymyksiin, jotka liittyvät vaihtelevan uusiutuvan energiamuotojen laaja-alaiseen integroimiseen sähköjärjestelmiin. Siksi työssä estimoidaan tuuli- ja aurinkovoiman vaikutuksen sähkönhintoihin pohjoismaalaisissa ja länsieurooppalaisissa sähköjärjestelmissä kehittämällä autoregressiivisen aikasarjamallin ulkopuolisilla muuttujilla. Lisäksi työssä kehitetään seuraavat kolme optimointimallia: (i) kaksitasoinen optimointimalli, joka määrittää kapasiteettimaksut joustaville tuotantomuodoille, jotta sähköjärjestelmän joustavuus ja odotetut kustannukset ovat optimaaliset, (ii) kaksitasoinen optimointimalli, joka optimoi joustavan tuottajan tarjoukset seuraavan päivän ja päivänsisäiselle markkinalle huomoiden uusiutuvan energian vaihtelevuuden, (iii) kolmitasoinen stokastinen ja robusti optimointimalli, joka optimoi pitkänajan tuotanto- ja siirtolinjainvestoinnit päästötavoitteiden saavuttamiseksi huomioiden uusiutuvan energian ja kulutuksen epävarmuuden. Kullekin optimointimallille (i)-(iii) kehitetään tehokkaita ratkaisumenetelmiä numeerisiatapaustutkimuksia varten, joissa käytetään yksityiskohtaista sähköjärjestelmädataa.
Väitöskirjassa on kolme pääkontribuutiota. Ensinnäkin aikasarja- ja optimointimallit yleistävät aiempia malleja ottamalla huomioon uusia ominaisuuksia, kuten päivänsisäisen markkinan, aikaulottuvuuden tai uusia tuotannollisia yksityiskohtia. Toiseksi siinä esitetään uusia linearisointi-, reformulointi- ja hajotelmatekniikoita, joiden avulla optimointimallit saadaan ratkaistua nopeasti ja tarkasti. Kolmanneksi se vastaa tutkimuskysymyksiin laajamittaisen uusiutuvan energian integroimiseen sekä sen vaikutuksiin sähkönhintoihin hyödyntämällä pohjoismaalaista ja länsieurooppalaista markkinadataa. Väitöskirjassa tuotetaan tutkimustietoa esimerkiksi päästöjä vähentävästä pitkän aikavälin siirto- ja tuotantokapasiteetin laajentumisesta ja tuuli- ja aurinkovoiman vaikutuksista sähkönhintoihin. Tämä tieto on hyödyttää sekä tuottajia että kuluttajia ja se auttaa suunnittelemaan mekanismeja, joilla uusiutuvan energian lähteitä voidaan integroida helpommin. Väitöskirjan menetelmiä on hyödynnetty muissa tutkimuksissa esimerkiksi arvioitaessa vaihtelevan uusiutuvan energia vaikutuksia muissa maissa.
Description
Supervising professor
Salo, Ahti, Prof., Aalto University, Department of Mathematics and Systems Analysis, FinlandThesis advisor
Salo, Ahti, Prof., Aalto University, Department of Mathematics and Systems Analysis, FinlandSiddiqui, Afzal, Prof., Stockholm University, Sweden
Aalto University, Finland
Oliveira, Fabricio, Prof., Aalto University, Department of Mathematics and Systems Analysis, Finland
Other note
Parts
- [Publication 1]: T. Rintamäki, A. S. Siddiqui, and A. Salo. Does renewable energy generation decrease the volatility of electricity prices? An analysis of Denmark and Germany. Energy Economics, 62, 270-282, 2017.
DOI: 10.1016/j.eneco.2016.12.019 View at publisher
- [Publication 2]: T. Rintamäki, A. S. Siddiqui, and A. Salo. How much is enough? Optimal support payments in a renewable-rich power system. Energy, 117(1), 300-313, 2016.
DOI: 10.1016/j.energy.2016.10.058 View at publisher
- [Publication 3]: T. Rintamäki, A. S. Siddiqui, and A. Salo. Strategic offering of a flexible producer in day-ahead and intraday power markets. European Journal of Operational Research, 284(3), 1136-1153, 2020.
DOI: 10.1016/j.ejor.2020.01.044 View at publisher
- [Publication 4]: T. Rintamäki, F. Oliveira, A. S. Siddiqui, and A. Salo. Achieving emission-reduction goals: Multi-period power-system expansion un- der short-term operational uncertainty. IEEE Transactions on Power Systems, 39(1), 119-131, 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202302282206DOI: 10.1109/TPWRS.2023.3244668 View at publisher