Abordagem estocástica adaptativa em dois estágios para a aquisição de energia em mercados de eletricidade de sistemas hidrotérmicos

Abstract

Esta tese discute, na perspectiva de um grande consumidor, o problema do planejamento a médio-prazo da aquisição de energia em ambientes hidrotérmicos. Trata-se de um problema de otimização de portfólio em que as incertezas nos preços da energia são provenientes, principalmente, das incertezas nas afluências futuras. No presente trabalho, busca-se incorporar as especificidades do sistema hidrotérmico ao problema de aquisição, fornecendo ao consumidor uma ferramenta de planejamento que considere os custos associados a cada mercado, a exposição aos riscos e suas estimativas de afluências futuras. As abordagens propostas envolvem um Modelo de Estimação de Cenários de Preços (MECP) e um Modelo de Aquisição de Energia (MAE). O MECP proposto é formulado como um problema de otimização estocástica baseado no planejamento de médio-prazo da operação hidrotérmica utilizando leques de cenários para representar as incertezas nas afluências. Propõem-se dois MAE formulados como problemas de otimização estocástica em dois estágios com duas dinâmicas de solução: janela rolante e adaptativa. Reformula-se o problema de aquisição multi-estágio original em um conjunto de problemas de dois estágios resolvidos de forma interligada. As dinâmicas de solução propostas consideram a estocasticidade dos preços futuros e resultam em decisões here-and-now para cada mercado e para todos os períodos de planejamento. As abordagens propostas são analisadas em simulações que buscam representar sistemas reais de médio-porte. Os resultados do MECP evidenciam a intrínseca correlação dos preços da energia com os cenários de afluência e com os níveis de demanda. Assim, o MECP proposto se mostra adequado como ferramenta de estimação de cenários de preços para o mercado hidrotérmico. As abordagens de aquisição propostas resultam em decisões de contratação sensíveis aos preços em cada mercado e nível de carregamento, assim como à aversão ao risco e à estimativa de afluências futuras. Em políticas de alta aversão ao risco ou em expectativas de períodos futuros secos, notou-se grande participação do consumidor no mercado de médio-prazo, utilizado como uma ferramenta de hedging contra a volatilidade do mercado de curto-prazo. Os resultados das abordagens de aquisição propostas são comparados a um MAE adaptado da literatura. Verifica-se que a dinâmica adaptativa se mostra superior às demais abordagens analisadas.

This thesis discusses the medium-term planning of energy procurement in hydrothermal environments from the perspective of a large consumer. This is a portfolio optimization problem, in which the uncertainties in energy prices are mainly related to uncertainties in future water inflows. In the present work, we aim to incorporate the specificities of the hydrothermal system into the procurement problem and provide the large consumer with a planning tool that considers the costs associated with each market, the risk exposure and its estimations of future water inflows. Our modeling approaches are composed of a Price Scenario Generation (PSG) model and an Energy Procurement (EP) model. The PSG proposed is formulated as a stochastic optimization problem based on the medium-term hydrothermal scheduling using scenario fans to represent the uncertainties in future inflows. We propose two EP models formulated as a two-stage stochastic optimization problem in iterative solution techniques: adaptive and forward rolling window. The proposed approaches reformulate the original multi-stage procurement problem into a set of two-stage problems solved in an interconnected scheme. The proposed solution techniques consider the stochasticity of future prices and result in here-and-now decisions for each market and all periods of the planning horizon. The proposed approaches are studied in simulations that aim to represent real medium-scale systems. The results demonstrate the intricate correlations between energy prices, inflows and demand levels. Therefore, the proposed PSG model proved to be appropriate as a price scenario estimation tool for hydrothermal markets. The proposed procurement approaches provides contracting decisions that are sensitive to market prices, demand levels, risk-aversion, and the forecasting of future inflows. In high risk-aversion policies or for periods of expected dry seasons, we verify larger amounts of power traded in the medium-term market, which is used to hedge against price volatility in the short-term market. The results of the proposed procurement approaches are compared with an approach adapted from the literature. We conclude that the adaptive technique is superior to other approaches.