Financial arbitrage via virtual bidding in electricity pool-based markets

Abstract

Η παρούσα έρευνα αφορά financial arbitrage μέσω virtual bidding στο χρηματιστήριο ηλεκτρικής ενέργειας. Για το λόγο αυτό μοντελοποιείται η στρατηγική συμπεριφορά ενός παίκτη στην αγορά που συμμετέχει είτε με explicit virtual biddings (μόνο χρηματοοικονομικά, δεν έχει στην κατοχή του κάποια μονάδα παραγωγής ενέργειας) είτε με implicit virtual biddings (συνδυασμός χρηματοοικονομικών και φυσικών-πραγματικών προσφορών ενέργειας). Το παρόν μοντέλο ανήκει στη οικογένεια των Mixed Complementarity Problems και η επίλυση τους είναι αρκετά επίπονη καθώς η αρχική τους πολυεπίπεδη στοχαστική μη γραμμική μορφή δεν επιλύεται από τους υπάρχοντες solvers. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται ο μηχανισμό εκκαθάρισης της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας που ακολουθείται από τις περισσότερες χώρες (με μικρές αποκλίσεις βέβαια η κάθε μια) και ο οποίος ενσωματώνει και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η εκκαθάριση της αγοράς πραγματοποιείται μέσω διεπίπεδου στοχαστικού προγραμματισμού. Στο πρώτο επίπεδο εκκαθαρίζεται η προ ημερήσια αγορά που καθορίζει προγραμματισμένη παραγωγή ενέργειας καθώς και την τιμή αγοράς η οποία προκύπτει ενδογενώς μέσω της dual μεταβλητής που σχετίζεται με την εξίσωση του ισοζυγίου ενέργειας. Στο δεύτερο επίπεδο εκκαθαρίζεται η αγορά εξισορρόπησης λαμβάνοντας υπόψη τη στοχαστική παραγωγή της αιολικής ενέργειας. Στο κεφάλαιο 3 αναπτύσσεται το μοντέλο μεγιστοποίησης των κερδών μέσω financial arbitrage ενός speculator που συμμετέχει στην αγορά μέσω ενός διεπίπεδου μοντέλου. Το πρώτο επίπεδο μεγιστοποιεί τα προσδοκώμενα κέρδη του speculator ενώ το δεύτερο επίπεδο ελαχιστοποιεί το κόστος του συστήματος. Επίσης παρουσιάζονται όλες οι μαθηματικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την επίλυση του μοντέλου και τη μετατροπή του από διεπίπεδο μη γραμμικό σε μοντέλο γραμμικού προγραμματισμού με περιορισμούς ισορροπίας (MPEC) και κατόπιν σε μοντέλου μεικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (MILP). Τέλος, στο κεφάλαιο 4, το μοντέλο εφαρμόζεται σε ένα 2-κομβικό σύστημα και αναλύονται οι όλες απορρέουσες στρατηγικές που μεγιστοποιούν την κερδοφορία του παίκτη, λαμβάνοντας υπόψη τόσο τη συμπεριφορά του όσο και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του δικτύου καθώς και την στοχαστική παραγωγή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Virtual bidding is a pure financial tool introduced into power markets for improving their performance. Despite the fact that, the price gap across different trading floors converges in consequence of virtual bidding , there are evidences which indicate that the amelioration of the market participants’ welfare is not the case. This could be happened since speculation on prices narrows the price gap however, it might lead to a price inflation and electricity consumers’ economic contraction. To have an insightful information about arbitrage via virtual bidding in power markets this work models the strategic behaviour of a virtual bidder participating in an electricity pool-based market. Based on Stackelberg hypothesis, a bi-level stochastic model is developed. The upper level optimizes the expected profit of virtual bidder while the lower-level clears the market minimizing the security-constrained expected cost under the monitoring of independent system operator. The market clear mechanism is designed through a two-stage stochastic programming. The first stage clears the day-ahead market in anticipation of the second stage which represents the market operation in real-time cleared through a set of plausible renewable energy production scenarios. Then, the initial nonlinear bi-level model is recast into a single-level nonlinear mathematical programming with equilibrium constraints which in return is recast into an equivalent mixed integer linear programming. The whole reformulation is achieved by using Karush-Kuhn-Tucker optimality conditions, the strong duality theory, disjunctive constraints and binary expansion technics. The proposed model derives optimal arbitrage strategies for both explicit virtual bidding, where the market player offers only financially without owning any physical asset, and implicit virtual bidding where the market player blends financial with physical bids. Additionally, the model provides information about the performance of virtual bidding under uncertain power generation and transmission contingencies taking also into account up-to-congestion biddings.