Linear optimization of hydro power in Sweden

Abstract

Diese Diplomarbeit wurde im Rahmen der Entwicklung des HiREPS Modells an der TUWien, Energy Economics Group geschrieben. HiREPS ist ein hochauflösendes Optimierungsmodell des europäischen Strommarkts zur Berechnung von detaillierten Kraftwerkseinsatzplänen mit Berücksichtigung der Versorgungssicherheit und Möglichkeit zur endogenen Investitionsplanung. Kapitel 1 gibt einen kurzen Einblick in den schwedischen Energiemarkt zu geben. Die Kapitel 2 bis 4 bauen die Wissenbasis (physikalische Grundlagen eines Wasserkraftwerks, verwendete lineare Optimierungsmethode, Funktionsweise des HiREPS Wasserkraftsmodells) für die nachfolgenden Hauptkapitel auf. Kapitel 5 untersucht verschiedene Möglichkeiten, die Laufzeit des Modells zu verbessern. Das beinhaltet die Betrachtung von Skalierungsproblemen, die genaue Untersuchung von Redundanz in der Presolve-Phase unserer Modellierungssprache (AMPL) sowie die Suche nach geeigneten Startwerten für die verwendete sukzessive lineare Optimierung. Als Resultat konnten wir die Laufzeit des Modells um fast 2/3 senken. Weiters erzielten wir durch eine intelligente Wahl der Startwerte eine Verbesserung des Linearisierungsfehlers, der durch das Modellieren der auftretenden Nicht- Linearitäten entsteht. Das letzte Kapitel geht auf die Simulationsergebnisse ein, die das Modell von Süd- und Zentralschweden liefert. Das integrierte Kraftwerksportfolio zählt insgesamt 140 Kraftwerke, wobei nur Kraftwerke mit einer installierten Leistung größer oder gleich 5 MW in Betracht gezogen wurden. Gezeigt werden die simulierten Produktions- und Profitergebnisse des gesamten Kraftwerksparks für die Jahre 2001 - 2011, um sie mit realen Daten zu vergleichen. Außerdem demonstrieren wir detaillierte Kraftwerkseinsatzpläne einiger Kraftwerke verschiedenen Typs. Neben dem Pumpspeicherkraftwerk Kymmen am Fluss Rottnan, haben wir den Fokus auf Kraftwerke im Fluss Ljungan gerichtet.

This thesis contributes to the HiREPS model developed at the Vienna UT, Energy Economics Group - a highly resolved European power system, investment planning and supply security optimization program. In this work, we focus on South and Central Sweden's hydropower portfolio and the hydropower part of the HiREPS model. Chapter 1 gives a short introduction to Sweden's energy market. In chapters 2 to 4 we build up the knowledge basis (physics of a hydropower plant, used linear optimization method, functionality of the HiREPS hydropower model) for the main chapters, Chapter 5 and Chapter 6. In Chapter 5 we investigate possibilities to speed up the computation time of the model, involving a treatment of scaling issues, an assessment of redundant internal presolve proceedings of our used modelling language (AMPL) and a treatment of issues regarding the choice of starting values for the discharge in our implemented successive linear optimization. Through our modifications, we are able to cut off nearly 2/3 of the computation time and achieve a faster decrease of the linearization error caused by modelling non-linearity. Finally, the last chapter shows various simulation results regarding South and Central Sweden-s hydropower plants with an installed capacity equal to or greater 5MW. We include simulated production and profit data for the whole power plant complex for the years 2001 - 2011 to compare it with real data. Furthermore, we show results regarding detailed operation plans for selected power plants. To be precise, we have a close look at some plants along river Ljungan and at one of the few pumped-storage power plants called Kymmen, situated at river Rottnan.