A state-of-charge based formulation for storage participation in electricity markets: Technical Reference

Technische Samenvatting: Een op State-of-Charge gebaseerde formulering voor deelname van opslag aan elektriciteitsmarkten

Probleemstelling
Het artikel behandelt de uitdaging van het integreren van hoge niveaus van energieopslagsystemen (ESS) in elektriciteitsmarkten, met name naarmate de penetratie van hernieuwbare energie toeneemt en regelbare thermische bronnen afnemen. De auteur stelt dat huidige marktontwerpen in Amerikaanse georganiseerde markten (beheerd door ISO's/RTO's) ESS inadequaat vertegenwoordigen. De heersende aanpak modelleert opslag als een gekoppelde generator en last, waarbij de eigenaar van de opslag wordt gedwongen om interval-voor-interval biedingen (voor laden) en aanbiedingen (voor ontladen) in te dienen over de dispatch-horizon.

Deze traditionele aanpak dwingt ESS-eigenaren om elektriciteitsprijzen binnen de dispatch-horizon te voorspellen om optimale laad- en ontlaadbeslissingen te nemen. Het artikel betoogt dat dergelijke voorspellingen inherent onderhevig zijn aan onzekerheid met betrekking tot willekeurige gebeurtenissen (bijv. variabele hernieuwbare output) en systeemcondities. Bijgevolg leiden fouten in de voorspelling tot suboptimale dispatch, verhoogde operationele kosten en verminderde marktefficiëntie. Bovendien, naarmate de ESS-penetratie groeit, verergert de endogeniteit van prijsvoorspellingen (waarbij de prijsvoorspelling van één ESS afhangt van de acties van anderen) deze inefficiënties. Het artikel stelt dat huidige modellen er niet in slagen de fundamentele fysieke kenmerken van opslag te vatten: intertemporele koppelingen via de State-of-Charge (SOC) en de round-trip efficiëntie, zonder brandstofkosten.

Methodologie
Het artikel stelt een marktontwerp voor waarbij de Independent System Operator (ISO) centraal de State-of-Charge (SOC) traject van de ESS optimaliseert, waarbij technische kenmerken zoals round-trip efficiëntie en SOC-limieten expliciet worden gemodelleerd.

• Formulering: De dispatch-horizon is verdeeld in intervallen $t = 1, \dots, T$. De ISO definieert variabelen voor laadvermogen ($p_t$), ontlaadvermogen ($g_t$) en SOC ($s_t$).
• SOC-dynamiek: De SOC evolueert volgens een lineaire vergelijking die laadefficiëntie ($\alpha$), ontlaadefficiëntie ($\beta$) en zelfontlading ($\gamma$) omvat. Cruciaal is dat het model afdwingt dat laden en ontladen niet gelijktijdig kunnen plaatsvinden.
• Kostenstructuur: Het model bevat degradatiekosten die proportioneel zijn aan de laad- en ontlaadsnelheden.
• Bied-/Aanbiedingsmechanisme: In plaats van interval-voor-interval biedingen dient de eigenaar van de opslag het volgende in:
  1. Technische parameters (capaciteit, efficiëntie, degradatiecoëfficiënten).
  2. Een enkele end-of-horizon bieding/aanbieding. Dit is een bereidheid-tot-betalen functie, $w(\Delta s_T)$, die de waarde vertegenwoordigt van de afwijking van de uiteindelijke SOC ($s_T$) van de "niet-participerende" SOC ($\bar{s}_T$, de SOC als de ESS niets zou doen).
• Optimalisatie: De ISO lost een welvaartsmaximalisatieprobleem op (het minimaliseren van de totale systeemkosten inclusief degradatie en het aftrekken van biedvoordelen) onderworpen aan balansvoorwaarden, transmissiebeperkingen en SOC-dynamiek. Locatie-specifieke marginale prijzen (LMP's) worden afgeleid van de Lagrange-multiplicatoren van de systeembeperkingen.
• Settlement (Verrekening): De verrekening is gebaseerd op de energie die geladen en ontladen wordt tegen de LMP's, plus het voordeel van de bieding voor de uiteindelijke SOC-afwijking. Er is geen directe betaling voor de SOC zelf.

Belangrijkste Bijdragen

1. Eliminatie van Prijsvoorspelling binnen de Horizon: De primaire bijdrage is een marktontwerp dat de noodzaak voor ESS-eigenaren om prijzen binnen de dispatch-horizon te voorspellen wegneemt. De ISO handelt de intertemporele optimalisatie af, terwijl de ESS alleen de waarde van energie na het einde van de horizon hoeft te beoordelen.
2. Getrouwe Technische Representatie: Het model integreert round-trip efficiëntie en SOC-beperkingen expliciet in de centrale dispatch-optimalisatie, wat aansluit bij de vereisten van FERC Order 841 om de unieke kenmerken van elektrische opslagbronnen te erkennen.
3. Efficiëntie en Schaalbaarheid: Door de ESS te ontkoppelen van de noodzaak om volatiele intra-horizon prijzen te voorspellen, beoogt het ontwerp de dispatch-suboptimaliteit te verminderen die wordt veroorzaakt door fouten in de voorspelling. Het artikel citeert recent werk dat aangeeft dat het oplossen van deze formulering voor meer dan 100 ESS-eenheden in grootschalige systemen (bijv. MISO) computationeel haalbaar is binnen de tijdskaders van de dagmarkt (day-ahead).
4. Extensie naar Demand-Side Resources: Het artikel demonstreert dat het SOC-model kan worden gespecialiseerd om prijsreactieve vraag (bijv. industriële belastingen met dagelijkse energievereisten) te representeren door de laadcapaciteit op nul te zetten en de last te behandelen als een energiebeperkte bron.

Resultaten
Het artikel illustreert het voorgestelde ontwerp aan de hand van een gestileerd voorbeeld van een dagmarkt met 6 intervallen, bestaande uit thermische generatie, hernieuwbare generatie en een enkele ESS.

• Base Case: Met gematigde toekomstige prijsvoorspellingen optimaliseert de ISO de het laden van de ESS tijdens intervallen met lage prijzen/veel hernieuwbare energie en het ontladen tijdens intervallen met hoge vraag. De ESS behaalt een positief surplus zonder specifieke intervalprijzen te hoeven voorspellen.
• Hoge Bereidheid-tot-Betalen: Wanneer de ESS hogere toekomstige prijzen voorspelt, past de ISO de dispatch aan om meer energie vast te houden (hogere end-of-horizon SOC), wat de marginale prijsvorming in latere intervallen verandert.
• Vergelijking met Huidige Ontwerpen: Het artikel betoogt dat als er interval-voor-interval biedingen zouden worden gebruikt, het bereiken van dezelfde welvaartsoptimale dispatch een ESS zou vereisen die biedingen indient die de clearingprijzen perfect matchen. Als de ESS vaste prijzen of imperfecte voorspellingen gebruikt, zou dit waarschijnlijk resulteren in een negatief surplus of suboptimale dispatch. Het voorgestelde model garandeert een positief surplus (arbitrageprofijt) zonder dat er een voorspelling van de intra-horizon prijzen nodig is.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat de voorgestelde formulering een robuuster en efficiënter mechanisme biedt voor de deelname van opslag, vooral naarmate de ESS-penetratie toeneemt. Het betoogt dat de huidige afhankelijkheid van ESS-eigenaren om intra-horizon prijzen te voorspellen een structureel gebrek is dat leidt tot operationele uitdagingen die vergelijkbaar zijn met die veroorzaakt door onnauwkeurige transmissie- of unit-commitmentmodellen.

De auteur benadrukt dat het ontwerp compatibel is met de filosofie van Amerikaanse georganiseerde markten, die historisch gezien zijn geëvolueerd om expliciet technische kenmerken (bijv. transmissiebeperkingen, unit-commitmentkosten) te representeren om de welvaart te verbeteren. Door SOC en round-trip efficiëntie als centraal onderdeel van de optimalisatie te behandelen in plaats van als beperkingen op door de gebruiker ingediende biedingen, voldoet het ontwerp aan de opdracht van FERC Order 841 om barrières voor de deelname van opslag weg te nemen. Het artikel concludeert dat hoewel het model aanzienlijke wijzigingen in bestaande marktstructuren vereist en aanvullende diensten (ancillary services) aan toekomstig onderzoek overlaat, het een noodzakelijk fundament biedt voor de schaling van de integratie van opslag in netwerken met een hoog aandeel hernieuwbare energie.