Piyasa takas dengesi ile elektrik üretim kapasite planlaması için ortak optimizasyon modeli ve çözüm yaklaşımları
Co-optimization model and solution approaches for electricity generation capacity planning with market-clearing equilibrium
Yazar: İNCİ ELİF HADIK
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ATAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering

Özet:
Artan nüfus ve gelişen teknolojiyle birlikte tüm dünyada elektrik enerjisine olan talep giderek artmaktadır. Öte yandan değişen ve yenilenen politikalar ve var olan tesislerin eskimesi ile birlikte mevcut üretim sistemleri zaman içerinde yetersiz hale gelmektedir. Bu doğrultuda, talebin zamanında güvenilir bir şekilde karşılanması amacıyla en uygun kaynak ve teknoloji kombinasyonunu belirlemek, boyutuna ve inşa edileceği zamana karar vermek gerekmektedir. Elektrik Üretim Kapasite Planlama (EÜKP) olarak ifade edilen bu karar verme sürecinde talepte bulunan tüketicilerin üretilen bu elektriğe makul bir fiyatla erişmesini sağlarken, üretim şirketlerinin kârlarını en üst düzeye çıkaracak şekilde üretim ve kapasite genişletme planlaması yapmak gerekmektedir. Öte yandan, serbestleşme sürecini henüz tamamlayamamış piyasalarda başta kamu şirketi olmak üzere piyasada hâkim konumda olan şirketlerin sahip oldukları büyük piyasa paylarının kademeli olarak azaltılması gerekmektedir. Tüm bu bilgiler ışında, bu tez çalışmasında elektrik piyasa takas modeli ile kapasite genişletme ve kapasite azaltımının ortak optimizasyon modelini ele alan iki seviyeli bir EÜKP modeli sunulmuştur. Üst seviye problemde, piyasada üretim yapan katılımcılar kapasite artırım ve kapasite azaltım olmak üzere iki farklı plan yapıcı grup olarak ele alınmıştır. Kapasite artırımı yapan grupta yer alan özel katılımcıların her biri için Kapasite Genişletme Planlama modeli geliştirilmiştir. Kapasite azaltım grubunda ise başta kamuya ait üretim şirketi olmak üzere kurulu gücü itibariyle piyasada güç konumunda olan şirketler yer almaktadır. Bu katılımcılar için Kapasite Azaltım Planlama modeli geliştirilmiştir. Alt seviyede ise piyasa dengesini temsil eden piyasa takas denge modeline yer verilmiştir. Ayrıca tüketiciler kapasite planlama problemlerinde ters talep fonksiyonu aracılığıyla temsil edilerek probleme dâhil edilmiştir. İki seviyeli problemin üst ve alt seviye problemleri Karma Tamamlama Problem ve Denge Kısıtlı Matematiksel Program formülasyonları ile bütünleştirilmiş ve Tam Rekabet ve Nash-Cournot piyasa yapılarında çözülmüştür. Önerilen model yaklaşımları Türkiye elektrik piyasası özelinde çalıştırılmış ve sonuçları karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

Abstract:
The demand for electrical energy is increasing all around the world as the population grows and technology advances. On the other hand, existing generation systems become inadequate over time due to changing and renewing policies, as well as the obsolescence of existing facilities. In this context, the best resource and technology combination, as well as the size and timing of construction, must be determined in order to meet demand reliably and on time. It is necessary to plan generation and capacity expansion in this decision-making process, known as Electricity Generation Capacity Planning (EGCP), in a way that will maximize the profits of generation companies while guaranteeing that customers may access this electricity at a reasonable price. On the other hand, it is vital to gradually reduce the substantial market shares of dominant companies, especially state-owned ones, in areas where the process of liberalization has not yet been fully accomplished. In this thesis presents a bi-level EGCP model that addresses the electricity market clearing model as well as the co-optimization model of capacity expansion and capacity reduction. The market participants are considered as two planner groups in the upper level problem as capacity expansion and capacity reduction. The Generation Expansion Planning model has been developed for each of the private participants in the capacity expansion group. There are companies in the capacity reduction group that have market power in terms of installed capacity, particularly the state-owned generation company, and the Capacity Reduction Planning model has been developed for these participants. The market clearing model, which represents market balance, is included at the lower level. Furthermore, in capacity planning problems, consumers are represented by the inverse demand function, which includes them in the problem. The upper and lower level problems of the bi-level problem are integrated with the Mixed Complementarity Problem and with the Mathematical Programming with Equilibrium Constraints formulations and solved in Perfect Competition and Nash-Cournot market structures. The proposed model is applied to Turkish electricity market and the results have been presented comparatively.