[pt] O Brasil é um dos líderes mundiais no uso de energia renovável. Além da fonte principal hidroelétrica, que historicamente tem dominado a produção de energia no país, duas fontes renováveis tornaram-se competitivas para a expansão de grande porte nos últimos cinco anos: a bioeletricidade (BE), proveniente da cogeração a partir do bagaço de cana de açúcar, e as pequenas centrais hidroelétricas (PCHs), com capacidade de geração de até 30 MW. Em torno de 8.000 MW de BE e PCHs já estão em operação ou em construção. Esta tese descreve as soluções técnicas para o planejamento da rede de transmissão de integração destas usinas à Rede Básica. O problema de planejamento é complexo haja vista que as usinas encontram-se dispersas por áreas extensas. Como consequência, a rede de integração pode apresentar camadas de subestações subcoletoras de diferentes níveis de tensão. O problema consiste em definir a topologia da rede, o posicionamento das subestações, o comprimento dos circuitos e suas capacidades e o dimensionamento dos equipamentos de transformação que resulte no plano de investimento de menor custo global. Isto envolve o trade-off entre o uso de circuitos individuais de maior comprimento e capacidades menores conectando cada gerador diretamente à Rede Básica ou circuitos mais curtos conectando os geradores à uma subestação subcoletora, que concentrará o fluxo em um único circuito de maior capacidade, o qual levará a energia à Rede Básica. As perdas na transmissão podem ser também consideradas no planejamento. Este problema é formulado por Programação Não-linear Inteira Mista, com restrições lineares. / [en] Brazil is one of the world leaders in the use of renewable power. In addition to the mainstream hydropower, which has historically dominated the country’s electricity production, two renewable sources have become competitive for large scale expansion in the last five years: bioelectricity (BE), cogeneration from sugarcane bagasse; and small hydro (SH), which comprises hydro plants smaller than 30 MW. About 8,000 MW of BE and SH plants are already in operation or under construction. This thesis describes the technical solutions to the planning of the transmission network that integrates them to the main grid. The planning issue is complex because the plants are spread over large areas. As a consequence, the integration network has layers of collector substations at different voltages. The problem is to define the network topology, positioning of the substations (SE), length of circuits, circuits capacities and dimensioning of transformation equipment that result in the least cost investment plan. This involves the trade-off between using longer circuits with individual lower capacities connecting each generator to the main grid or shorter circuits connecting the generators to a SE, which concentrates the flow in a single circuit of higher capacity that will transport the energy to the main grid. Transmission losses can be also considered. This problem is formulated as a Mixed-Integer Non-Linear Program with linear constraints.

[pt] O objetivo desta dissertação é desenvolver uma metodologia para determinar a estratégia ótima de despacho de usinas térmicas considerando as especificações do contrato de combustível e suas cláusulas de take-or-pay, as oportunidades de compra e venda de energia no mercado spot e as características da usina. Como as decisões de uma etapa têm impacto nas etapas seguintes, há um acoplamento temporal entre as decisões tomadas e o problema tem um caráter de decisão multi- estágio. Além disso, o principal guia para a tomada de decisão é o preço spot, que é desconhecido no futuro e modelado através de cenários. Desta forma, a estratégia ótima de despacho torna-se um problema de decisão sob incerteza, onde a cada etapa o objetivo é determinar a operação que maximize a rentabilidade total (ao longo de vários períodos) da central térmica. A metodologia desenvolvida se baseia em Programação Dinâmica Estocástica (PDE). Exemplos serão ilustrados com o sistema brasileiro. / [en] The objective of this work is to present a methodology to determine the optimal dispatch strategy of thermal power plants taking into account the particular specifications of fuel supply agreements, such as take-or-pay and make-up clauses. Opportunities for energy purchase and selling in the spot market as well as the plant´s technical characteristics are also considered in the optimization process. Since decisions in one stage impact the future stages, the problem is a time- coupled in a multi-stage framework. Moreover, the main driver for the decision-making is the energy spot price, which is unknown in the future and modeled through scenarios. Therefore, the optimal dispatch strategy is a decision under uncertainty problem, where at each stage the objective is to determine the optimal operation strategy that maximizes the total revenues taking into account constraints and characteristics of the fuel supply agreement. The developed methodology is based on Stochastic Dynamic Programming (SDP). Examples and case studies will be shown with the Brazilian system.

[pt] O objetivo desta tese é desenvolver uma metodologia para estratégia de oferta de geradoras em leilões de contratos de energia elétrica, que determine a quantidade ótima que deve ser ofertada de cada contrato para cada ní­vel de preço de leilão, levando em conta os perfis de risco de cada agente e os riscos associados à  contratação. Em particular a incerteza quanto ao montante de energia produzida e ao seu preço no mercado de curto prazo (preço spot), também conhecida como incerteza de quantidade e preço. Desta forma, são realizadas aplicações desta metodologia para dois tipos de leilões de energia existente, mono e multi-produto. Neste segundo caso (multi-produto) é realizado um estudo de caso para o Leilão de Transição que ocorrerá em dezembro de 2004, onde serão leiloados 75% da eletricidade disponí­vel hoje no país (55 mil MW), segundo as diretrizes do novo modelo do setor elétrico brasileiro. / [en] The objective of this work is to develop a methodology for bidding strategies in multi-unit auctions for long-term electricity power purchase agreements (PPA). Considering a descending price auction design, the objective of a generating agent is to determine the optimal amount of energy to be offered in each contract for the actual auction prices at each round that maximizes the revenues of the agent given their risk profiles and the contract risks involved. The main risk treated in this work is the so-called price- quantity risk, related to the negative correlation between energy produced and the short term prices (spot price). The modeling of the risk profile for each agent is done using utility functions. This methodology is then applied on two types of auctions: singleproduct (only one contract being auctioned) and multi-product (more than one product is simultaneously auctioned). Case studies are presented with data from the Brazilian system. In particular, on the second type (multivariated auction) the case study is realized for the transition auction that will occur on December 2004, where 75% of the generation market of the whole country (about 55GW) will be negotiated under the guidelines of the new Brazilian electrical sector model.

[pt] O objetivo desta monografia é investigar a aplicação de distintas metodologias de alocação de energia firme de usinas hidrelétricas através da teoria dos jogos de coalizão. Mostra-se que não existe uma maneira ótima, única, de se fazer esta repartição, mas existem critérios para verificar se uma metodologia de repartição específica apresenta algum aspecto inadequado. Um desses critérios é a justiça. Mostra-se que este critério equivale a pertencer ao chamado núcleo de um jogo cooperativo. O cálculo da energia firme será formulado como um problema de otimização linear e serão investigadas vantagens e desvantagens de distintos métodos de alocação (a benefícios marginais, geração média no período crítico, última adição e nucleolus). Em seguida será desenvolvida uma aplicação do esquema Aumann-Shapley (AS) à repartição da energia firme de usinas hidrelétricas. Demonstra-se que além de robusto em relação aos tamanhos dos recursos e eficiente computacionalmente, este método fornece para o problema do firme uma alocação pertencente ao núcleo e, portanto, atende à condição de justiça. A aplicação do esquema AS será apresentada para o Sistema Brasileiro e serão comparados os resultados obtidos por este método com outros esquemas de alocação adotados no Sistema Hidrelétrico Brasileiro. / [en] The objective of this work is to investigate the application of different methodologies of allocation of firm energy rights among hydro plants using a gametheoretic framework. It is shown that there is not an optimal and unique approach to make this allocation but there are criteria to verify if a given approach presents any inadequate aspect. One of these criteria is the justice, or fairness. It is shown that this criterion is equivalent to the condition of the core of a cooperative game. The calculation of the firm energy will be formulated as a linear program and advantages/disadvantages of different allocation methods (marginal allocation, average production on the dry period, incremental allocation and nucleolus) will be investigated. Next, an application of the Aumann-Shapley (AS) scheme to the problem of allocation of firm energy rights will be developed. It is shown that, besides being robust and computationally efficient, this scheme provides an allocation that belongs to the core of the game and therefore meets the condition of justice. The AS scheme will be applied to the Brazilian system (composed of about 100 hydro plants) and the results obtained will be compared with the allocation schemes currently adopted in the Brazilian system.

[pt] O mercado brasileiro de energia elétrica ainda não encontrou um modelo de mercado e de formação de preço que garanta a expansão auto-sustentada da oferta. Investigando em detalhe o modelo atual de despacho da geração e formação do preço, demonstramos a sua pouca eficácia na atração de investimentos, e identificamos a causa dessa falha como sendo a miopia do modelo de despacho, uma vez os estados críticos do sistema só aprecem de forma significativa quando o sistema já estiver degradado. São estudados três modelos alternativos que modificam a função-objetivo ou a regra de formação do preço, ajustados de modo a viabilizar e tornar suficientemente atrativos os investimentos na expansão da oferta. Finalmente, estes modelos são então comparados entre si e com o modelo atual, quanto ao valor para o investidor e quanto ao custo para o sistema e para o consumidor. Um mercado é dito completo se permite aos agentes alocar livremente seus recursos e demandas quando estiverem disponíveis e/ou forem necessários e permite que os agentes condicionem estes recursos / demandas ao estado (preço) do mercado. Estas funcionalidades são implementadas através dos derivativos financeiros, negociados no mercado futuro. Neste trabalho fazemos uma análise conceitual do mercado futuro de energia elétrica, indicando a diferença em relação ao de outras commodities e apresentando um modelo da oferta e demanda por contratos futuros de energia elétrica. / [en] The Brazilian Market of Electrical Energy has not yet found a stable market and price model that ensues the feasibility and makes attractive a self-sustained investment for the expansion of electrical energy generation. Researching the current generation dispatch and spot price model, we show that it is ineffective to attract investments because the model is myopic, since the range of critical system states that is foreseen at the current state is not significant until the system is already too degraded. Stemming from this conclusion, we develop three alternative models, modifying the dispatch model objective and the price formation rule. These alternative models are tuned to make the investments in generation expansion feasible and attractive. The models are compared regarding their value to the investor and the cost to the system and to the consumer. A complete market allows the economic agents to freely allocate their resources and requirements whenever they are available and/or required. A complete market also allows conditional settlement, i.e., to condition the resource availability and/or requirement to a particular market state (price). These features are realized by financial derivatives, in the, so called, futures market. We present a conceptual analysis of the electrical energy s future market, pointing the differences to other commodities future markets that are due to economical unfeasibility of storing electricity. We also present an equilibrium model for the forward electrical energy contracts.

[pt] O objetivo desta dissertação é desenvolver uma metodologia para oferta estratégia de uma empresa geradora em ambiente de mercado com múltiplas usinas hidrelétricas, levando em consideração múltiplos estágios e a incerteza nas afluências, e ilustrar a aplicação da mesma em sistemas realistas. Mostra-se inicialmente que o problema de oferta estratégica pode ser formulado como uma recursão de programação dinâmica estocástica (PDE), onde as variáveis de estado são os níveis de armazenamento dos reservatórios no início de cada estágio e as afluências observadas nos estágios anteriores. Entretanto, a dificuldade computacional dos algoritmos de PDE restringe sua aplicação a sistemas com poucos reservatórios, limitando bastante a aplicação da técnica a sistemas realistas. Assim, a abordagem proposta nesta dissertação é estender a metodologia de programação dinâmica dual estocástica (PDDE), até então aplicada a problemas de minimização de custos, ao problema de otimização da oferta. Isto é feito através de dois passos principais: (i) Uso de uma estratégia de oferta por quantidade somente (análogo a um modelo de Cournot em problemas de equilíbrio econômico) e (ii) a recursão de PDDE, que por ser baseada numa aproximação por hiperplanos requer que o problema seja convexo, o que não ocorre necessariamente no caso da oferta estratégica. A abordagem proposta consiste em aproximar a cada estágio a função de benefício futuro (FBF) por sua envoltória côncava (concave hull). Com isso, a técnica de PDDE pode ser aplicada para resolver o problema de ofertas multi- estágio e estocástico de uma empresa hidroelétrica com múltiplas usinas. Exemplos e estudos de caso serão ilustrados com os sistemas reais da Romênia e El Salvador, ilustrando a aplicabilidade da metodologia proposta em estudos e análises de poder de mercado. / [en] The objective of this work is to present a methodology for the strategic bidding (or bid-based) problem of a hydropower based company, taking into account multiple hydro plants, time-coupling, multiple inflow scenarios and illustrate its application for real case studies. It is initially show that the bid-based dispatch for a hydro plant can be formulated as a stochastic dynamic programming (SDP) recursion scheme, where the state variables are the storage levels and the past inflows. As widely known, the computational effort of the SDP algorithms restricts its applications for systems with just a few reservoirs, which is not the case of the real world systems. Therefore, the approach proposed in this thesis is to extend the stochastic dual dynamic programming (SDDP) scheme, usually applied to cost minimization problems, to the strategic bidding problem. This is done through two main steps: (i) use of a quantity-only bidding scheme (similar to the Cournot model of economic equilibria); (ii) SDDP recursion, which is based on a linear approximation by piecewise linear segments and thus requires that the underlying problem to be convex. This is not necessarily observed in the strategic bidding problem. Thus, the proposed approach consists in approximating, at each stage, the future benefit function (FBF) by its concave hull, which then assures that the SDDP scheme can be applied to solve the multi-stage and stochastic strategic bidding problem of a company with a portfolio of several hydro plants. The proposed approach is illustrated with examples and case studies from real hydro systems from Rumania and El Savador, where market power analysis will be presented.

[pt] O objetivo do planejamento da operação hidrotérmica de médio e longo prazo é definir as metas para geração de cada hidroelétrica e termelétrica, a fim de atender à carga ao menor custo esperado de operação e respeitando as restrições operacionais. Algoritmos de Programação Dinâmica Estocástica (PDE) e de Programação Dinâmica Dual Estocástica (PDDE) têm sido amplamente aplicados para determinar uma política operativa ideal o despacho hidrotérmico. Em ambas as abordagens a estocasticidade das afluências é comumente produzida por modelos periódicos autoregressivos de lag p - PAR(p), cuja estimativa dos parâmetros é baseada nos dados históricos disponíveis. Como os estimadores são funções de fenômenos aleatórios, além da incerteza sobre as vazões, também há incerteza sobre os parâmetros estatísticos, o que não é capturado no modelo PAR (p) padrão. A existência de incerteza nos parâmetros significa que há um risco de que a política da operação hidrotérmica planejada não será a ótima. O objetivo desta tese é apresentar uma metodologia para incorporar a incerteza dos parâmetros do modelo PAR (p) no problema de programação estocástica hidrotérmica. São apresentados estudos de caso ilustrando o impacto da incerteza dos parâmetros nos custos operativos do sistema e como uma política operativa que incorpore esta incerteza pode reduzir este impacto. / [en] The objective of the medium and long-term hydrothermal scheduling problem is to define operational target for each power plant in order to meet the load at the lowest expected cost and respecting the operational constraints. Stochastic Dynamic Programming (SDP) and Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) algorithms have been widely applied to determine the optimal operating policy for the hydrothermal dispatch. In both approaches, the stochasticity of the inflows is usually produced by periodic auto-regressive models - PAR (p), whose parameters are estimated based on available historical data. As the estimators are a function of random phenomena, besides the inflows uncertainty there is statistical parameter uncertainty, which is not captured in the standard PAR (p) model. The existence of uncertainty in the parameters means that there is a risk that the hydrothermal operating policy will not be optimal. This thesis presents a methodology to incorporate the PAR(p) parameter uncertainty into stochastic hydrothermal scheduling and to assess the resulting impact on the computation of a hydro operations policy. Case studies are presented illustrating the impact of parameter uncertainty in the system operating costs and how an operating policy that incorporates this uncertainty can reduce this impact.