Optimising a Renewable Virtual Power Plant in Day-ahead, Intraday and Balancing Markets

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis

Authors

Date

2024-12-20

Department

Major/Subject

Systems and Operations Research

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Mathematics and Operations Research

Language

en

Pages

71

Series

Abstract

The Nordic electricity market has significantly changed during the past years. The rapid increase of renewable generation, through wind and solar power, the opening of the largest nuclear reactor in Europe, and the phase-out of fossil fuels has coincided with historic levels of price volatility in Finland. Simultaneously, inflation has caused investment costs to rise sharply while interest rates have seen their highest peak in over a decade. Amidst these changes, renewable generation and consumption have faced challenges in sustaining the rapid buildout seen during the past few years, which is essential in reducing greenhouse gas emissions and transitioning to a low-carbon society. The objective of this thesis is to propose a stochastic dual dynamic programming tool to support the operation of a renewable power market portfolio, consisting of variable renewable generation and a dynamically operated electrolyser. The markets considered are the day-ahead market, the intraday market and the manual Frequency Restoration Reserve (mFRR) balancing energy market. The agent faces uncertainties regarding both their own renewable generation and the market price in different stages. Despite multi-market optimisation being a widely documented problem in the literature, this thesis is one of the first contributions to optimise decision-making at discrete time points in a Finnish context. Furthermore, research on the optimisation of renewable fuels of non-biological origin (RFNBO hydrogen) remains limited, especially in a context concerning price uncertainty. Experimental results indicate that the profit improvement was 4.18% for the optimal model when compared to a baseline strategy emulating the default operation of a market participant. The main driver of the profit improvement was the more strategic overbuying- or selling of energy, with the intention of covering the opened positions at a later market stage, resulting in the agent finding profitable opportunities more often and allocating generation more efficiently. The profit improvement is not directly applicable to an actual participant in the same markets as the agent of this thesis. Nevertheless, the results suggest that a bidding model such as the model presented in this thesis can significantly improve market profits for a renewable portfolio.

Pohjoismainen sähkömarkkina on muuttunut merkittävästi viime vuosina. Uusiutuvan tuuli- ja aurinkotuotannon kasvaneen määrän, Euroopan suurimman ydinreaktorin käyttöönoton sekä fossiilisten tuotantomenetelmien sulkemisen myötä markkinavolatiliteetti on kasvanut ennätykselliselle tasolle. Samalla inflaatio ja kasvaneet korkokulut ovat lisänneet investointikustannuksia merkittävästi, mikä on hidastanut uusiutuvan tuotannon ja kulutuksen rakentamista. Tämä kehitys vaikeuttaa kasvihuonepäästöjen vähentämistä ja siirtymistä vähähiiliseen yhteiskuntaan. Tämän diplomityön tarkoituksena on tarkastella uusiutuvan sähkömarkkinaportfolion optimointia stokastisen ohjelmoinnin avulla. Työssä luodaan työkalu tukeemaan uusiutuvan tuotantoportfolion markkinakaupankäyntiä. Tarkasteltu portfolio koostuu tuuli- ja aurinkovoimasta sekä dynaamisesta uusiutuvan vedyn tuotantolaitoksesta, ja se toimii kolmella eri sähkömarkkinalla: vuorokausi-, intraday- ja reservimarkkinoilla. Muodostettu malli käy kauppaa neljässä diskreetissä aikapisteessä. Vaikka sähkömarkkinaoptimointia on tutkittu laajasti, markkinatuoton sekä uusiutuvan vedyntuotannon kokonaistuotannon optimointi suomalaisen yrityksen näkökulmasta on jäänyt vähemmälle huomiolle. Kokeelliset tulokset osoittavat, että kokonaistuotto vuoden 2024 ensimmäisellä puoliskolla käyttäen optimaalista strategiaa parani 4,18% verrattuna tyypillistä operointilogiikkaa edustavaan verrokkistrategiaan. Parannus johtui erityisesti strategisesta yli- tai alimyynnistä aiemmilla markkinavaiheilla, tavoitteena sulkea positio myöhemmillä markkinoilla paremmalla hinnalla. Lisäksi optimoitu malli allokoi omaa tuotantoa tehokkaammin kuin verrokkistrategia. Vaikka kokonaistuoton paraneminen ei ole täysin verrattavissa todellisuuteen, työ osoittaa kuitenkin markkinaoptimoinnin potentiaalin uusiutuvan markkinaportfolion kannattavuuden tavoittelussa.

Description

Supervisor

Oliveira, Fabricio

Thesis advisor

Kiviluoma, Jaakko

Keywords

SDDP, wind energy, solar energy, hydrogen, RFNBO, power markets

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501282109

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI