Modelling coordinated operation of two independently owned hydro power plants in same basin

doctoral thesis

• Title (croatian): Modeliranje koordiniranoga rada dviju hidroelektrana različitih vlasnika na istom vodnom slivu
• Author: Ivan Rajšl
• Mentor: Slavko Krajcar (mentor)
• Committee member: Slavko Krajcar (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Electrical Engineering and Computing; (Department of Energy and Power Systems); Zagreb
• Defense date and country: 2015, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Electrical Engineering; Power Engineering
• Universal decimal classification (UDC): 621.3 - Electrical engineering

Abstract

Interaction of two independent owners on the same reservoir (using the same water resources) was the main driver of this research. Very few papers in recent literature deal with this problem. The main objective of the thesis was to establish a framework for the coordination of two independently owned Hydro Power Plants sharing the same reservoir. The relationship between two independent hydropower companies that use water from the same reservoir is described and a model of financial interaction... More between an existing Hydro Company and a new Pumped Company that owns the pumped storage hydro power plant has been proposed. In this model the shared reservoir is discretized and head effects are considered. The thesis also provides proof of a possible positive effect of new Pumped Storage Hydro Power Plant on social welfare and of negative or neutral effects of Pumped Company decisions on expected Hydro Company profit. Therefore, a mechanism compensating these negative effects of the Pumped company on the Hydro Company is introduced. The basic idea is that the compensation price signal is based on the amount of pumped water, introducing the 'water trading’ concept. Two compensation methods are proposed: uniform hourly water prices, and hourly water prices based on stochastic analysis. In both methods the shared reservoir is discretized and head effects are taken into consideration. Additionally coordination between existing Hydro Power Plant and new Pumped Storage Hydro Power Plant during spillage is proposed. Two methods are proposed for Hydro Company – Pumped Company coordination during spillage. In these two methods, a simplified model is used and head effects are neglected. Results of all mentioned methods are also presented. The MILP approach was used. Optimizations were performed using the Modelling system for mathematical programming and optimization - GAMS and simulations using programming package - Matlab. Less

Abstract (croatian)

Zahvaljujući svojim radnim karakteristikama, izrazitoj fleksibilnosti i razvijenoj tehnologiji reverzibilne hidroelektrane se nameću kao primarni odgovor na probleme koje u elektroenergetski sustav unosi sve veće učešće obnovljivih izvora iznimno varijabilne naravi (sunčeva energija i energija vjetra). Budući da su, kako u Hrvatskoj tako i u većini drugih zemalja svijeta, najatraktivnije lokacije za izgradnju reverzibilnih hidroelektrana već zauzete, kao rješenje se nameće pojačano korištenje... More postojećih vodnih resursa. Jedno od takvih rješenja je izgradnja reverzibilnih hidroelektrana kao dodatak već postojećim hidro sustavima [1]. Osnovna pretpostavka ovog istraživanja je da novi investitor odlučuje izgraditi reverzibilnu hidroelektranu koristeći neku od već postojećih akumulacija u sustavu kao donju akumulaciju, a koju koristi postojeća hidroelektrana. U okviru ove disertacije promatra se i analizira interakcija ova dva neovisna subjekta koji koriste istu akumulaciju. U dosadašnjoj literaturi ovaj problem nije značajnije analiziran. U prvom, uvodnom poglavlju definira se istraživački problem i hipoteze na kojima se temelji istraživanje i sveukupni cilj istraživanja. Diskutira se originalnost rada, očekivani znanstveni doprinosi te se navode glavna ograničenja modela. Drugo poglavlje, naslova: ‘Teorijski okvir korištenja energije vode’, navodi osnovne karakteristike i činjenice koje se odnose na pretvorbu energije vode u električnu energiju. U ovom se poglavlju ističu značenje i prednosti hidroelektrana i navode se tehnološka unaprijeđena. Treće poglavlje, naslova: ‘Određivanje voznog reda hidroelektrana’, fokusira se na posljedice događanja na tržištu električne energije, posebice procesa liberalizacije i restrukturiranja, na određivanje optimalnog voznog reda hidroelektrana. U tradicionalnom okruženju hidroelektrane su korištene za minimiziranje troškova energetskih kompanija. U novom pak okruženju vlasnici hidroelektrana teže što većem profitu. Opisani su osnovni principi i izazovi u procesu modeliranja hidroelektrana s pripadajućim hidro sustavima. Također je dan pregled literature u pogledu određivanja voznog reda elektrana, posebice hidroelektrana. U poglavlju četiri, naslova: ‘Određivanje voznog reda hidroelektrane s mogućnošću utjecaja na tržišnu cijenu’, opisan je model hidroelektrane koja posjeduje određenu tržišnu moć. Optimizacijski period je dan unaprijed sa satnim koracima. Pretpostavka je da ostali sudionici nemaju tržišnu moć, odnosno da ne mogu utjecati na tržišnu cijenu. Njihove ponude se predviđaju temeljem analize njihova ponašanja. Prikazani su rezultati metode i navedene osnovne smjernice unaprijeđena modela. Odnos između dva neovisna vlasnika hidroelektrana (hidroelektrane i reverzibilne hidroelektrane) koji koriste istu akumulaciju prikazan je u poglavlju pet, naslova: ‘Određivanje voznog reda neovisnih vlasnika hidroelektrana koji se nalaze na istom vodnom slivu’. Predstavljen je model financijske interakcije vlasnika postojeće hidroelektrane i vlasnika nove reverzibilne hidroelektrane. Model je izrađen u programskom alatu GAMS. Optimizacijski je period dan unaprijed sa satnim koracima. U obzir se uzimaju utjecaji visine vode u akumulaciji na izlaznu snagu hidroelektrane. Na kraju poglavlja su prikazani rezultati primjene ove metode. Dokaz mogućeg pozitivnog učinka nove reverzibilne hidroelektrane na društveno dobro kao i dokaz negativnog ili neutralnog utjecaja odluka vlasnika nove reverzibilne hidroelektrane na profit vlasnika postojeće hidroelektrane navedeni su u poglavlju šest, naslova: ‘Metoda za izbjegavanje negativnih učinaka nove reverzibilne hidroelektrane na očekivani profit postojeće hidroelektrane’. Utvrđuje se da je potrebno kreirati mehanizam kojim će se kompenzirati negativni učinci reverzibilne hidroelektrane na očekivani profit hidroelektrane. Ideja je da se kompenzacija obavlja pomoću naplate količine pumpane vode, odnosno uvođenje koncepta trgovanja vodom. Predložene su dvije metode kompenzacije: metoda uniformnih cijena vode i metoda određivanja satnih cijena vode temeljem stohastičke analize. Na kraju poglavlja prikazani su ostvareni rezultati. Koordinacija između vlasnika nove reverzibilne hidroelektrane i vlasnika postojeće hidroelektrane u slučajevima preljeva iz zajedničke akumulacije opisana je u poglavlju sedam, naslova: ‘Metoda koordinacije neovisnih vlasnika hidroelektrana u slučaju preljeva iz zajedničke akumulacije’. Optimizacijski period je tjedan unaprijed sa satnim koracima. U ovom dijelu koristi se pojednostavljeni model postojeće hidroelektrane (zanemaruje se ovisnost izlazne snage hidroelektrane o razini vode u akumulaciji). Predložene su dvije metode koordinacije u slučajevima preljeva i prikazani su rezultati za obje metode. Zaključak sadrži sažetak glavnih rezultata istraživanja, kritički osvrt na postignute rezultate s obzirom na postavljene hipoteze te utvrđuje temeljne smjerove nastavka istraživačkog rada. U okviru disertacije izrađen je model ekonomski učinkovite koordinacije dva neovisna vlasnika hidroelektrana koji koriste istu akumulaciju. Izrađen je i model financijske interakcije u navedenoj situaciji. Temeljem rezultata navedenih modela zaključeno je da je ovakva interakcija moguća. Potom su razvijene i predstavljene dvije metode kompenzacije negativnih učinaka vlasnika reverzibilne hidroelektrane na očekivanu dobit vlasnika hidroelektrane. Obje metode kao mehanizam naplate koriste naplatu pumpane količine vode. U prvoj metodi koriste se uniformne cijene vode tijekom cijelog dana. U drugoj metodi se satne cijene vode određuju temeljem stohastičke analize. Specijalan slučaj interakcije ovih subjekata modeliran je za periode preljeva iz zajedničke akumulacije. Naime tada se ne primjenjuje mehanizam naplate vode. Oba vlasnika pokušavaju spasiti određenu količinu vode ukoliko procijene da im je to isplativo. Predstavljene su dvije metode koordinacije vlasnika reverzibilne hidroelektrane i vlasnika hidroelektrane za slučaj preljeva iz zajedničke akumulacije. Svi predstavljeni modeli čine zaokruženu cjelinu u okviru koordinacije dva neovisna vlasnika hidroelektrana koje koriste istu akumulaciju. Less

• Keywords: reservoir management; multi-objective decision making; coordinated interaction; water trading; hydro power plant head effects
• Keywords (croatian): upravljanje akumulacijom; višekriterijsko odlučivanje; koordinirana interakcija; trgovanje vodom; utjecaj visine vode na snagu hidroelektrane
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:005170
• Study programme: Title: Electrical Engineering and Computing; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: Doktor znanosti elektrotehnike i računarstva (Doktor znanosti elektrotehnike i računarstva)
• Type of resource: Text
• Extent: 194 str. ; 30 cm
• File origin: Born digital
• Access conditions: Closed access
• Created on: 2019-04-16 14:52:02