The Swedish bus and railway sectors have been recognised as important early cases of regulatory reforms that led to both vertical and horizontal disintegration as well as market-opening. This thesis investigates the origin and evolution of these reforms from 1979 to 2009, focussing on the markets for passenger services. The aim is to improve our understanding of the background, resulting nature, and consequences of these regulatory reforms. A combination of qualitative and quantitative analyses has been applied; e.g. the thesis makes use of a unique database of longitudinal industry statistics. This thesis shows that the origins of the Swedish reform process were internal and largely unrelated to any objectives of deregulated market-opening. However, a combination of the nature of the initial reforms, the behaviour of market actors, and certain key events accidentally sparked a trend towards deregulation, which has had profound effects on market structure and performance. The step-by-step evolution, in particular the introduction and expansion of competitive tendering, is shown to have had path-dependent characteristics. Swedish competitive tendering of bus and railway services has had important effects on costs and subsidies, but has also generated the problematic behaviour of strategic bidding. Included within are detailed articles which make additional contributions to relevant theories and offer normative advice concerning the design and implementation of regulatory reforms in these as well as other sectors.

[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] Este trabalho analisa um mercado de eletricidade em que os geradores declaram funções de custo quadráticas para o operador da rede e também suas disponibilidades máximas de produção. O operador, então, determina as quantidades a serem produzidas por cada gerador de modo a atender a uma demanda inelástica, ao menor custo possível. Estabelecem-se alguns resultados que permitem computar os equilíbrios de Nash deste modelo e descrevem-se algumas de suas propriedades, tais como condições de existência. / [en] This work analyzes an electricity market in which generators declare quadratic cost functions for the grid operator and also the maximum capacity available. The operator then determines the quantities that each generator must produce to meet an inelastic demand at the lowest possible cost. Some results are established that allow computing the Nash equilibria of this model and some of their properties are described, such as existence conditions.

[pt] Nesta de tese de doutorado é proposta uma metodologia alternativa para obter estratégias ótimas de oferta sob incerteza que maximizam o lucro de um agente em mercados dotados de um leilão de preço uniforme e envelope fechado com multiplos produtos divisíveis. A estratégia ótima de um agente price maker depende amplamente da informação conhecida dos agentes rivais. Reconhecendo que a oferta dos agentes rivais pode desviar do equilíbrio de mercado e é de difícil caracterização probabilística, nós propomos um modelo de otimização robusta dois estágios com restrições de equilíbrio para obter estratégias de oferta ótimas avessas a risco. O modelo proposto é um modelo de otimização de três níveis passível de ser reescrito como uma instância particular de um programa binível com restrições de equilíbrio. Um conjunto de procedimentos é proposto a fim de construir uma formulação equivalente de de nível único adequado para aplicação de algoritmos de Geração de Coluna e Restrição (GCC). Diferentemente de trabalhos publicados anteriormente em modelos de otimização dois estágios, nossa metodologia de solução não aplica o método de GCC para iterativamente identificar os cenários mais violados dos fatores de incerteza, variáveis que são identificadas através de variáveis contínuas. Na metodologia de solução proposta, o algoritmo GCC é aplicado para identificar um pequeno subconjunto de condições de otimalidade para o modelo de terceiro nível capaz de representar as restrições de equilíbrio do leilão na solução ótima do problema master (problema de oferta). Um estudo de caso numérico baseado em mercados de energia de curto prazo é apresentado para ilustrar a aplicabilidade do modelo robusto proposto. Resultados indicam que mesmo em um caso em que é observada uma imprecisão de 1 porcento na oferta de equilíbrio de Nash dos agentes rivais, a solução robusta provê uma redução significativa de risco em uma análise fora da amostra. / [en] We propose an alternative methodology to devise profit-maximizing strategic bids under uncertainty in markets endowed with a sealed-bid uniformprice auction with multiple divisible products. The optimal strategic bid of a price maker agent largely depends on the knowledge (information) of the rivals bidding strategy. By recognizing that the bid of rival competitors may deviate from the equilibrium and are of difficult probabilistic characterization, we proposed a two-stage robust optimization model with equilibrium constraints to devise an risk-averse strategic bid in the auction. The proposed model is a trilevel optimization problem that can be recast as a particular instance of a bilevel program with equilibrium constraints. Reformulation procedures are proposed to construct a single-level-equivalent formulation suitable for column and constraint generation (CCG) algorithm. Differently from previously reported works on two-stage robust optimization, our solution methodology does not employ the CCG algorithm to iteratively identify violated scenarios for the uncertain factors, which in this thesis are obtained through continuous variables. In the proposed solution methodology, the CCG is applied to identify a small subset of optimality conditions for the third-level model capable of representing the auction equilibrium constraints at the optimum solution of the master (bidding) problem. A numerical case study based on short-term electricity markets is presented to illustrate the applicability of the proposed robust model. Results show that even for the case where an impression of 1 percent on the rivals offer at the Nash equilibrium is observed, the robust solution provides a non-negligible risk reduction in out-of-sample analysis.