The impact of the market time unit shift production ramping on the power system balance

Abstract

Fast scheduled active power changes at the shift of the market time unit (MTU) cause hour shift imbalances and frequency deviation in the Nordic power system. Therefore, active power ramping restrictions are applied in the Nordic synchronous system to limit the hour shift ramping of the high-voltage direct current (HVDC) transmission and the active power production.

Rapid increase in the variable renewable energy generation capacity poses challenges to the power system balancing. To ensure a better planned power balance and to improve the integration with the common European electricity market platforms, 15-minute imbalance settlement period (ISP) will be introduced in the Nordic power system in 2023. The introduction of the 15-minute ISP and later the launch of the quarter-hourly day-ahead, intraday, and balancing energy markets will affect the MTU shift production changes. Consequently, the current ramping restrictions designed for the hourly production changes need to be reassessed.

This thesis evaluates the need for developing new production ramping restrictions after the introduction of the 15-minute ISP and the quarter-hourly electricity markets. The hour shift changes in the active power production are analyzed and the impact of the 15-minute ISP on the MTU shift production changes is assessed. The effect of linear production ramping on the power system frequency is simulated to gain a better understanding on how the power system reacts to the MTU shift production changes.

Based on the conducted analyses and the previous research, the thesis concludes that restricting the production ramping might be necessary even after the introduction of the 15-minute ISP and the quarterly electricity markets. Quarterly balancing will reduce the hour shift imbalances, but the volume of the imbalances depends on how willing the market participants are to address their quarterly imbalances in the 15-minute day-ahead and intraday markets. Ultimately, the changes in the demand affect the volume of the production ramping at the MTU shifts. Moreover, wind power ramping caused by negative day-ahead prices may pose a risk for substantial MTU shift production changes in the future power system.

Kaupankäyntijakson vaihteen nopeat suunnitellut pätötehomuutokset aiheuttavat tunninvaihteen tase- ja taajuuspoikkeamia pohjoismaisessa sähköjärjestelmässä. Tasepoikkeamien vähentämiseksi pohjoismaisella synkronialueella sovelletaan pätötehon muutosrajoituksia erikseen suurjännitetasavirtalinkkien siirroille ja sähkötuotannon muutoksille.

Vaihtelevan uusiutuvan energiatuotantokapasiteetin kasvu vaikeuttaa sähköjärjestelmän tasapainottamista. Järjestelmän tasapainon takaamiseksi ja yhteisille eurooppalaisille sähkömarkkina-alustoille liittymiseksi 15 minuutin taseselvitysjakso otetaan käyttöön pohjoismaisessa sähköjärjestelmässä vuonna 2023. Varttitaseen ja myöhemmin 15 minuutin day-ahead-, intraday- ja säätösähkömarkkinoiden käyttöönotto vaikuttaa kaupankäyntijakson vaihteen tuotantomuutoksiin, minkä seurauksena nykyisiä tunninvaihteen tehomuutosrajoituksia on tarve uudelleenarvioida.

Tämä diplomityö arvioi kaupankäyntijakson vaihteen tuotantorajoitusten tarvetta varttitaseen ja 15 minuutin markkinoiden käyttöönoton jälkeen. Työ tutkii nykyisiä tunninvaihteen tuotantomuutoksia ja 15 minuutin taseselvitysjakson vaikutusta tuotantomuutosten suuruuteen. Lisäksi työssä simuloidaan lineaaristen tuotantoramppien vaikutusta pohjoismaisen sähköjärjestelmän tasapainoon.

Analyysien ja aiemman tutkimuksen pohjalta työ päättelee, että tuotantomuutosten rajoittamiselle voi olla tarvetta vielä varttitaseen ja 15 minuutin sähkömarkkinoiden käyttöönoton jälkeen. 15 minuutin taseselvitys pienentää tunninvaihteen tasepoikkeamia, mutta tasepoikkeamien suuruus riippuu markkinatoimijoiden halusta tasapainottaa poikkeamansa 15 minuutin day-ahead- ja intraday-markkinoilla. Myös muutokset kulutuksessa vaikuttavat kaupankäyntijakson vaihteiden tuotantoramppien suuruuteen. Lisäksi negatiivisten day-ahead-hintojen aikaansaamat muutokset tuulivoimatuotannossa voivat lisätä kaupankäyntijakson vaihteen merkittävien tuotantomuutosten riskiä tulevaisuuden sähköjärjestelmässä.