Talep cevabına katılım oranının elektrik dağıtım sistemi işletimi üzerindeki etkisinin incelenmesi
The study on impacts of the demand response participation of the electricity customers in electric distribution system operation
Yazar: TARIK TAŞPINAR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Benzetim analizi = Simulation analysis ; Bilgisayar destekli analiz = Computer aided analysis ; Elektrik Piyasası Kanunu = Electricity Market Law ; Elektrik dağıtım sistemleri = Electric distribution systems ; Elektrik mühendisliği = Electricity engineering ; Enerji piyasası = Energy market ; Enerji yönetim sistemleri = Energy management systems ; Ev aletleri = Household utensils ; Rekabet piyasaları = Competition markets

Özet:
Elektrik hizmetinin üreticiden tüketiciye ulaşmasında önceleri üretim, iletim ve dağıtım sistemleri dikey bütünleşik yapıdaydılar. Bu yapılarda görülen çapraz sübvansiyonlar, tekelleşme, altyapı yatırımlarında yetersizlikler, teşebbüsler arası koordinasyon bozukluğu, uyumlu eylemde bulunma ve birlikte hakim durumda bulunma gibi nedenlerden ötürü piyasa rekabetini engelleyici gelişmeler yaşanmıştır. Üstelik verimsizlik nedeniyle hizmet kalitesinde de düşüşler görülmüştür. Bu nedenle 90'lı yılların sonuna doğru dünyada elektrik sektöründe serbestleşme süreçlerine girilmiş ve dikey bütünleşik yapıların yeniden yapılandırma yoluyla elektrik üretim, iletim, dağıtım, ticaret ve düzenleyici kurumları birbirinden ayrılarak çapraz sübvansiyonlar engellenmiş ve daha verimli çalışan bir sisteme geçilmiştir. Ayrıca elektrik enerjisini üreten, tüketen ve aracılık yapanlar arasında rekabetçi piyasalar oluşturulmuştur.
Avrupa ülkelerindeki elektrik toptan satış piyasalarının yoğunlaşma endekslerinin yüksek olduğu görülmüştür. Bu ülkelerinin yarısından fazlasında, en büyük güçlü üretim santrallerinin piyasa paylarının yüzde ellinin üzerinde olması piyasada rekabet ortamının düşük olduğunu göstermektedir.
İskandinav elektrik piyasasında düzenleyici kuruluş olan NordREG, piyasaları izlemek ve geliştirmekle sorumlu olup perakende piyasalarında rekabetin ölçümlenmesi ve karşılaştırılması amacıyla; tedarikçi sayısı, tedarikçi değiştirme oranı, fiyat marjı ve piyasa yoğunlaşma endeksi olmak üzere dört adet gösterge belirlemiştir. Tüketicilerin tedarikçisini değiştirebilme serbestliğini gösteren piyasa açıklık oranı ise rekabetin izlenmesi açısından bir diğer önemli göstergedir. Avrupa'da ve Türkiye'de teorik piyasa açıklığı yüksek olmasına karşın, serbest tüketici hakkını kullanan tüketicilerin toplam tüketimdeki oranı düşüktür. Bunun nedenleri ise tedarikçilerin yerleşik şirketler olmasından kaynaklanan avantajlar, tedarikçiler arası geçiş maliyetlerinin yüksekliği ve piyasa katılımcıları arasındaki rekabet kültürünün henüz tam anlamıyla gelişmemiş olmasıdır. Dolayısıyla perakende piyasadaki rekabetin bir süre daha bölgesel nitelikte olacağı söylenebilir.
ABD Federal Enerji Düzenleme Kurumu (FERC) 2009 yılında yaptığı 10 yıllık talep cevabı katılım potansiyeli araştırmasıyla 2019 yılı için %20 oranında puant güç düşüşü potansiyeli öngörmüştür. Ancak bu artış teknolojili fiyatlandırma ile özellikle akıllı termostatlı HVAC sistemleri ve diğer ev aletlerinin fiyatlara otomatik cevap verdiği bir yapıda gerçekleşmektedir.
Bu tez kapsamında dağıtım şebekesi ve tüketicisi tarafında öncelikli olarak HVAC sistemlerinin piyasa fiyat tabanlı talep katılımını incelemek için içerisindeki ev aletlerinin de olduğu toplam 320 adet birer ailenin yaşadığı evler olan bir elektrik şebekesi GridLAB-D programında analiz edilmiştir. Ev aletlerinin enerji tüketimi terminal gerilime, kullanıcıların sayısı, konfor seviyesi ve sosyal ve ekonomik verilere de bağlıdır. Örneğin, dış ortam sıcaklığı evin termal yalıtımına göre iç ortam sıcaklığını değiştirmektedir. Ayrıca ortamdaki cihazlar, insanlar ve ev hayvanlarının yaydığı ısı da iç ortam sıcaklığını değiştirmektedir. Bu sebeple GridLAB-D programı ile dairelerin enerji tüketimleri için çevresel etkenleri de içeren termal ısıl modelleri (ETP) kullanılmıştır.
Piyasada ihale yöntemiyle alıcı ve satıcılar uzlaştırılmaktadır. HVAC cihazlarının piyasa fiyatına göre enerji tüketimini değiştirmesi ve piyasaya alış teklifi vermesi için GridLAB-D içindeki uygun kontrolör yapıları kullanılmıştır.
İlk olarak sabit, üç zamanlı ve saatlik kullanım zamanlı tarifeler (Time of Use Pricing, TOU) kullanılarak kontrolör sahibi olmayan ev aletlerinin ve kontrolör sahibi olan HVAC sistemlerinin bu tarifelerdeki talep cevabı katılımları neticesinde evlerin günlük yüklenme eğrilerinde meydana gelen değişiklikler incelenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, piyasa fiyatının gün boyu değişmediği sabit tarifelerde beklendiği gibi kontrolörlerin tepkisiz kaldığı görülmüştür. Bu durumda HVAC ve diğer ev aletlerinin yüklenme profilleri yalnız sıcaklığa bağlı olarak oluşmaktadır.
Diğer TOU tarifelerde ise fiyatın düşük olduğu dönemlerde HVAC sistemleri talep cevabı katılımıyla tüketimi arttırmıştır. Ancak fiyat değişiminin ani ve çok büyük olduğu durumlarda talep katılımının yüksek olması nedeniyle puant gücün de aşıldığı gözlenmiştir. Puant gücün aşılması elektrik şebekesi üzerinde arz güvenliği ve iletim sorunlarına yol açmaktadır. Literatürde TOU tarifelerdeki bu sorunun çözümüne yönelik pek çok çözüm sunulmuştur. Bunlardan biri olan piyasa mekanizmasına satış miktarı kısıtı koyulması bu tez kapsamında incelenmiştir. Analiz sonuçlarında piyasa satış kapasitesi kısıtı sayesinde TOU tarifelerdeki puant aşımı sorununun ortadan kalktığı görülmüştür. Ancak hava sıcaklığının HVAC kontrolörlerinin üst limitlerini aşması durumunda kontrolörler en yüksek fiyattan alış teklifi vermektedir. Bu nedenle piyasa fiyatları belli bir süre en yüksek seviyede kalmaktadır. Analizler sonucunda kapasite kısıt miktarı ile fiyatların en yüksek seviyede kalma süresinin ters orantılı olduğu görülmüştür. Sonuçta elektrik tüketicilerine ait fatura bedelleri yükselmiştir.
Bu çalışmada elektrik dağıtım bölgelerindeki tüketicilerin talep cevabı katılımlarının dağıtım sistemi işletimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu amaçla örnek sistem üzerindeki tüketicilerin farklı oranlarda talep cevabı katılımları ile analizler gerçekleştirilmiştir. Sonuçta talep cevabının etkisinin katılım oranının büyüklüğüne, kullanılan piyasa ve tarife yapılarına bağlı olarak elektrik şebekesinde eşzamanlılığın bozulmasına yol açtığı gözlenmiştir.

Abstract:
Before the introduction of liberalization and regulatory reforms, electric power industries were vertically integrated which a company controls generating, transmission, distribution and consumer services. In these situations, integrated utilities had cross subsidies of their unregulated activities, inadequacy of infrastructural investments, ineffective coordination between firms, collective dominance and the constitution of concerted practice by direct or indirect contact between firms were likely to affect negatively on competition of markets. Moreover, firms decreased consFumer service quality caused by operational inefficiencies. In the late 90s, in many countries liberalization processes began with unbundling of vertically integrated structures. Thus, cross subsidies are eliminated. Liberalisation of electricity industry delivered some efficient operations like deferral of infrastructure investments, decreased capacity constraints and elastic demand between consumers via new wholesale and retail competitive market programs that created for demand response participating. Grid storage systems and demand response offer a solution to market price volatilities due to production uncertainness of wind and solar systems. This study aims to contribute to this growing area of grid flexibility using demand response forms including supplier changing, product offerings, demand time-shifting or reducing demand by direct or indirect ways of demand side operators.
In this thesis, firstly this questionnaire investigated how much competition exists in electricity retail and wholesale markets. Investigations are showed that in European countries, the market concentrations, the Herfindahl-Hirschman indexes are quite high and as well as more than half of them have a dominant power plant whose market share is more than fifty percent.
For the purpose of assessing the retail market functioning and competition, NordREG has developed a set of indicators. These are number of suppliers, switching rates, price spreads, concentration indexes. With these indicators NordREG monitors the markets and identify the stronger and weaker positions of countries and the enhancement requirements of each market. In Europe, the switching rates are less than %14. Because of the some barriers to supplier switching the rates are quite low. Firstly, it is obvious that the monetary gain of switching should be higher than transactions costs. Second, Consumers tend to be willing to switch suppliers more if the switching process is easy. Also, lack of trust to contract terms and policies inhibits long-term contracts. Last, customers behave irrationally when over satisfied with local suppliers. Hence, it is presumable that for a while the competition in retail markets remains locally small.
U.S. Federal Energy Regulatory Commission (FERC) published National Assessment of Demand Response Potential Assessment in order to estimate a nationwide demand response potential in 5 or 10 years horizons. The Assessment develops four scenarios:
Business-as-Usual, Expanded Business-as-Usual, Achievable Participation and Full Participation. In 2019, the report foresees that with the Full Participation scenario which of 100 percent of demand response participators have all incentive and price enabling technologies, especially HVAC systems, twenty percent reduction is possible in the peak demand.
In this research, primarily HVAC systems investigated for price-based demand response programs. Thermostatically Controlled Loads that respond to real time price is proposed and Time-of-Use daily utility rate plans are designed. For this purpose, an electric low voltage distribution feeder with three hundred twenty home simulated in GridLAB-D software. It is obvious that the energy consumption of home appliances and HVAC systems depend on terminal voltage, number of users and comfort level of them, briefly the social and economic factors. Home appliances are composed of clotheswasher, dishwasher, dryer, waterheater, range, lights, refrigerator, plugload and occupants with detailed loadshape models. In this work, only the HVAC and waterheater are modeled to have an ability as price incentive demand responses and other appliances are in passive mode.
In the next section, the heat balance of home analyzed due to bases of temperature control of HVAC systems in demand response programs. Initially, the equivalent thermal parameter model (ETP) is analyzed heat gains and losses and the effects of thermal mass, as a function of solar radiation, thermostat temperature settings and heat gains by occupants and appliances. The most comprehensive thermal integrity model of house with the insulations configured in GridLAB-D. Each house modeled in GridLAB-D has two primary sources of internally generated heat. First, is the waste heat given off by other devices in the house. Second, there are devices in the home that are not explicitly modeled but that have sufficient aggregate impact that their heat contribution to the house and their aggregate impact on the home's electricity must be accounted for.
The auction based market implements by submitting seller and bidder bids of price for a set of quantity simultaneously. The market clears by intersection point of the supply and demand curves. Double auction market simulates a merit order as buyers are sorted from highest price to lowest price and sellers are sorted from lowest price to highest price. But, in this work we used only pre-prepared Time-of-Use tariff prices with the buyers/bidders in the day-ahead market. We only deal with consumers and generators are out of scope of this thesis. Anyway, it is observed that the limited power quantity behaved like buyers in the capacity constrained market scenario. In addition, observations showed that the HVAC systems do not have any demand response with flat price rates. On the other hand, hourly price and three TOU price tariffs result more demand response participations.
Transactive controllers are used to modify cooling setpoints of HVAC's in a range based on difference between market clearing and average prices. Price responsive controllers are the key components of price-based demand response programs. These controllers changes the loading profiles of appliances according to market prices. Thus, consumers avoid energy consuming during peak demand times. So the lower electricity bills are paid without reducing energy consumption. But if the TOU price volatility is high and sudden, e.g. very low prices following very high prices in peak hours, then suddenly the load diversity corrupts and peak demand overshoots which known as rebound effect. So that, the principal reasons for demand response participation disappear. In the literature, there are many advices about solving the rebound effect. One of them is supply capacity constraint solution in market auction mechanism that we analyzed within the scope of this thesis. However, even if the results verify the solution, another very high market clearing price (price cap) problem arose. The supply capacity limitation also causes the disruption of supply and demand equilibrium. The market clears when just reached to limited power of aggregated bids but still have buyers who must consume energy at whatever the prices are. So unhealthy price formation occurs and clearing prices goes through the highest point. At the end of work different factors to influencing the demand response participation and different participation ratios to influencing the grid scenario results are discussed.