abstract: This thesis pursues a method to deregulate the electric distribution system and provide support to distributed renewable generation. A locational marginal price is used to determine prices across a distribution network in real-time. The real-time pricing may provide benefits such as a reduced electricity bill, decreased peak demand, and lower emissions. This distribution locational marginal price (D-LMP) determines the cost of electricity at each node in the electrical network. The D-LMP is comprised of the cost of energy, cost of losses, and a renewable energy premium. The renewable premium is an adjustable function to compensate `green' distributed generation. A D-LMP is derived and formulated from the PJM model, as well as several alternative formulations. The logistics and infrastructure an implementation is briefly discussed. This study also takes advantage of the D-LMP real-time pricing to implement distributed storage technology. A storage schedule optimization is developed using linear programming. Day-ahead LMPs and historical load data are used to determine a predictive optimization. A test bed is created to represent a practical electric distribution system. Historical load, solar, and LMP data are used in the test bed to create a realistic environment. A power flow and tabulation of the D-LMPs was conducted for twelve test cases. The test cases included various penetrations of solar photovoltaics (PV), system networking, and the inclusion of storage technology. Tables of the D-LMPs and network voltages are presented in this work. The final costs are summed and the basic economics are examined. The use of a D-LMP can lower costs across a system when advanced technologies are used. Storage improves system costs, decreases losses, improves system load factor, and bolsters voltage. Solar energy provides many of these same attributes at lower penetrations, but high penetrations have a detrimental effect on the system. System networking also increases these positive effects. The D-LMP has a positive impact on residential customer cost, while greatly increasing the costs for the industrial sector. The D-LMP appears to have many positive impacts on the distribution system but proper cost allocation needs further development. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2011

<p>Denna uppsats undersöker vilka faktorer som påverkar förändringar i elspotpriset på Nord Pool. Avsikten är att resultatet skall ligga till grund för en prisuppskattningsmodell för Lunds Energikoncernen AB. Faktorerna bestämdes genom en förstudie där viktig litteratur om elmarknaden studerades samt samtal med Lunds Energikoncernen AB. De faktorer som undersöks i denna uppsats är priset på utsläppsrätter, nettoexport till Tysk-land, temperatur, nederbörd, priset på kol och villaolja samt konjunkturutveckling i Sve-rige.</p><p>Undersökningen av faktorerna bestod av en multipel regressionsanalys med undersökta faktorer som oberoende variabler och elspotpriset på Nord Pool som den beroende va-riabeln. Faktorerna blev indelade i två grupper dagsgruppen och månadsgruppen, grunden till uppdelningen är som namnen antyder att statistiken var observerad dygnsvis och må-nadsvis. I månadsgruppen ingick nettoexport till Tyskland, priset på kol, villaolja samt konjunktur och ur denna grupp visade sig endast nettoexport till Tyskland ha statistisk signifikans.</p><p>I dagsgruppen ingick de faktorer som oftast omnämns i litteraturen som prispåverkande, nämligen temperatur, nederbörd och priset på utsläppsrätter. Dock visade sig nederbörd inte ha någon statistisk signifikant påverkan på elpriset varvid ett nytt test på ett nytt sta-tistiskt underlag gjordes för nederbörden vilket gav samma resultat, vilket var förvånan-de. Både temperatur och priset på utsläppsrätter visade sig dock ha statistisk signifikans och detta intygades genom ytterligare test.</p><p>Härefter gjordes en regressionsanalys med de faktorer visat sig ha statistisk signifikans som oberoende variabler, det vill säga nettoexport till Tyskland, temperatur och priset på utsläppsrätter gentemot elpriset som beroende variabel. Denna enkla prognosmodell kunde förklara så mycket som 70 procent av förändringarna i elpriset.</p><p>Slutligen diskuteras prognosmodellen av författarna, en brist är bland annat att den inte kan förutse hastiga förändringar i priset och att den behöver kalibreras om när den nya handelsperioden för utsläppsrätter sätter i gång 2008. Dock gav analysen positiva signa-ler om att det kan vara möjligt att basera en prismodell på el med de faktorer som har störst inverkan på den dyraste produktionsteknologi som oftast används i elproduktio-nen, då elmarknaden i praktiken tillämpar marginalprissättning.</p> / <p>This thesis examines which factors that drive changes in the electricity spot price on the Nordic energy exchange Nord Pool. The intention with this thesis is to support Lunds Energikoncernen AB to create a pricing model. The factors were determined though a pre-study in which important literature on the electricity market were studied and inter-views with Lunds Energikoncernen AB. The examined factors in this thesis are; the price of emission allowances, net export to Germany, temperature, precipitation, the prices of coal and burning oil and Sweden’s business cycle.</p><p>The factor study was a multiple regression analysis with the above factors as independ-ent variables and the spot price of electricity on Nord Pool as the dependent. The fac-tors were divided in two groups, the day group and the month group, the two groups were decided due to statistical observations. The factors from the former group had daily ob-served data and the latter monthly data. The month group included net exchange with Germany, oil and coal prices and the business cycle which are measured in GDP. In the month group only the net exchange with Germany had statistical significance and was used in further studies.</p><p>In the day group the factors that are mostly discussed in the literature to impact on the electricity price namely, temperature, precipitation, and the price of emission allowances. As it, some what unexpected, turned out the precipitation did not have a statistical affect on the electricity price. The authors chose to carry out another analysis with precipita-tion from another area, neither this result had statistical significance. However, both the temperature and the price of emission allowances did have a statistical significant effect on the electricity price, the result were verified through one more round of analysis.</p><p>After the two initial analyses, a regression analysis with the three factors that had statis-tical significance and the electricity price were used in a final analysis. The factors in-cluded in this regression were net exchange with Germany, temperature and the price of emission allowances. This, somewhat, simple forecasting model explained as much as 70 percent of the changes in the electricity spot price.</p><p>At last the forecasting model were discussed by the authors who identified two major weaknesses, first the model may not explain sudden changes in the electricity price, and second the model has to be re-calibrated when the next trading period for emission al-lowances starts in early 2008. However the analysis did indicate that it might be possible to base an electricity price forecasting model on the factors that affects the most expen-sive production facility that are used to create energy, since the electricity market prac-tice marginal pricing.</p>

An approach to utilize Distributed Generation (DG) to minimize the total load shedding by analyzing the power system in Transactive energy framework is proposed. An algorithm to optimize power system in forward and spot markets to maximize an electric utility’s profit by optimizing purchase of power from DG is developed. The proposed algorithm is a multi-objective optimization with the main objective to maximize a utility’s profit by minimizing overall cost of production, load shedding, and purchase of power from distributed generators. This work also proposes a method to price power in forward and spot markets using existing LMP techniques. Transactive accounting has been performed to quantify the consumer payments in both markets. The algorithm is tested in two test systems; a 6-bus system and modified IEEE 14-bus system. The results show that by investing in DG, utility benefits from profit increase, load shedding reduction, and transmission line loading improvement.

Denna uppsats undersöker vilka faktorer som påverkar förändringar i elspotpriset på Nord Pool. Avsikten är att resultatet skall ligga till grund för en prisuppskattningsmodell för Lunds Energikoncernen AB. Faktorerna bestämdes genom en förstudie där viktig litteratur om elmarknaden studerades samt samtal med Lunds Energikoncernen AB. De faktorer som undersöks i denna uppsats är priset på utsläppsrätter, nettoexport till Tysk-land, temperatur, nederbörd, priset på kol och villaolja samt konjunkturutveckling i Sve-rige. Undersökningen av faktorerna bestod av en multipel regressionsanalys med undersökta faktorer som oberoende variabler och elspotpriset på Nord Pool som den beroende va-riabeln. Faktorerna blev indelade i två grupper dagsgruppen och månadsgruppen, grunden till uppdelningen är som namnen antyder att statistiken var observerad dygnsvis och må-nadsvis. I månadsgruppen ingick nettoexport till Tyskland, priset på kol, villaolja samt konjunktur och ur denna grupp visade sig endast nettoexport till Tyskland ha statistisk signifikans. I dagsgruppen ingick de faktorer som oftast omnämns i litteraturen som prispåverkande, nämligen temperatur, nederbörd och priset på utsläppsrätter. Dock visade sig nederbörd inte ha någon statistisk signifikant påverkan på elpriset varvid ett nytt test på ett nytt sta-tistiskt underlag gjordes för nederbörden vilket gav samma resultat, vilket var förvånan-de. Både temperatur och priset på utsläppsrätter visade sig dock ha statistisk signifikans och detta intygades genom ytterligare test. Härefter gjordes en regressionsanalys med de faktorer visat sig ha statistisk signifikans som oberoende variabler, det vill säga nettoexport till Tyskland, temperatur och priset på utsläppsrätter gentemot elpriset som beroende variabel. Denna enkla prognosmodell kunde förklara så mycket som 70 procent av förändringarna i elpriset. Slutligen diskuteras prognosmodellen av författarna, en brist är bland annat att den inte kan förutse hastiga förändringar i priset och att den behöver kalibreras om när den nya handelsperioden för utsläppsrätter sätter i gång 2008. Dock gav analysen positiva signa-ler om att det kan vara möjligt att basera en prismodell på el med de faktorer som har störst inverkan på den dyraste produktionsteknologi som oftast används i elproduktio-nen, då elmarknaden i praktiken tillämpar marginalprissättning. / This thesis examines which factors that drive changes in the electricity spot price on the Nordic energy exchange Nord Pool. The intention with this thesis is to support Lunds Energikoncernen AB to create a pricing model. The factors were determined though a pre-study in which important literature on the electricity market were studied and inter-views with Lunds Energikoncernen AB. The examined factors in this thesis are; the price of emission allowances, net export to Germany, temperature, precipitation, the prices of coal and burning oil and Sweden’s business cycle. The factor study was a multiple regression analysis with the above factors as independ-ent variables and the spot price of electricity on Nord Pool as the dependent. The fac-tors were divided in two groups, the day group and the month group, the two groups were decided due to statistical observations. The factors from the former group had daily ob-served data and the latter monthly data. The month group included net exchange with Germany, oil and coal prices and the business cycle which are measured in GDP. In the month group only the net exchange with Germany had statistical significance and was used in further studies. In the day group the factors that are mostly discussed in the literature to impact on the electricity price namely, temperature, precipitation, and the price of emission allowances. As it, some what unexpected, turned out the precipitation did not have a statistical affect on the electricity price. The authors chose to carry out another analysis with precipita-tion from another area, neither this result had statistical significance. However, both the temperature and the price of emission allowances did have a statistical significant effect on the electricity price, the result were verified through one more round of analysis. After the two initial analyses, a regression analysis with the three factors that had statis-tical significance and the electricity price were used in a final analysis. The factors in-cluded in this regression were net exchange with Germany, temperature and the price of emission allowances. This, somewhat, simple forecasting model explained as much as 70 percent of the changes in the electricity spot price. At last the forecasting model were discussed by the authors who identified two major weaknesses, first the model may not explain sudden changes in the electricity price, and second the model has to be re-calibrated when the next trading period for emission al-lowances starts in early 2008. However the analysis did indicate that it might be possible to base an electricity price forecasting model on the factors that affects the most expen-sive production facility that are used to create energy, since the electricity market prac-tice marginal pricing.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Le sujet de cette thèse est le partage de coût. Plus précisément pour un problème de partage de coût donné, j'étudie différentes méthodes de partage de coût selon l'approche axiomatique. Le problème de partage de coût est un problème mi un nombre fini d'agents cherchent à partager le coût joint de la production nécessaire à la satisfaction de leur demande. Une méthode de partage de coût est une fonction qui associe à chaque problème les proportions ou parts du coût total qui doivent être allouées à chacun des agents. L'approche axiomatique vise donc à caractériser un ensemble de méthodes de partage de coût en se basant sur des propriétés ou axiomes mathématiques généraux ou normatifs. La thèse est divisée en trois chapitres, chacun étant lui-même composé d'une ou plusieurs sections. Le premier chapitre est une revue de la littérature où sont résumés les résultats les plus importants qui ont suivi l'article de Shapley [1953]. Dans ce chapitre, le partage de coût est présenté d'un point de vue général comme faisant partie intégrante d'une économie de production où l'on aborde à la fois les problèmes d'équité, d'efficacité et de compatibilité des incitations de la méthode de partage de coût. Le deuxième chapitre s'appuie sur le modèle discret introduit par Moulin [1995] à travers trois sections. La première section caractérise l'ensemble des méthodes qui satisfont les axiomes d'Additivité et "Dummy". Le principal résultat de la section est que cet ensemble est généré par toutes les combinaisons convexes de méthodes dites "path generated". C'est un résultat important pour étudier l'effet des autres axiomes sur la caractérisation de la méthode de partage de coût. La deuxième section étudie la version discrète de la méthode d'Aumann-Shapley. Nous donnons une caractérisation par les axiomes d'Additivité, de Dummy, et de Proportionnalité pour les cas où le nombre d'agents est égal à deux (n = 2) et la demande d'un des agents est égale à un (34 = 1). Dans la troisième section, nous proposons un nouvel axiome dit Invariance à la Mesure (Measurement Invariance). Nous démontrons ensuite que l'ensemble des méthodes satisfaisant les axiomes d'Additivité, de Dummy, et d'Invariance à la Mesure est l'ensemble des méthodes "Simple Random Order Values" (SROV) et que la méthode de Shapley-Shubik est l'unique méthode symétrique de l'ensemble des SROV. Le troisième chapitre repose sur le modèle continu étudié par Friedman et Moulin [1995]. Dans la première section , nous étudions l'impact de l'axiome d'Ordinalité introduit par Sprumont [1998] sur les méthodes additives de partage de coût et nous généralisons le résultat de la deuxième section du Chapitre 2 au cas continu en remplaçant l'axiome d'invariance à la mesure par celui d'Ordinalité. Dans la deuxième section de ce chapitre, nous considérons une méthode "non-additive", c’est-à-dire, la méthode proportionnelle ajustée au coût marginal dites "Proportionally Adjusted Marginal Pricing" (PAMP). Nous caractérisons la méthode PAMP par les axiomes d'Indépendance Locale, de Proportionalité, d'Invariance à l'échelle, et de Continuité.

Cette thèse vise à développer les opportunités et conséquences d’une demande incertaine pour le réseau de transport de gaz. Ce sujet est décliné en quatre contributions. Les deux premières adoptent une perspective de long terme : on cherche à évaluer l’efficacité de la réglementation du taux rendement lorsqu’il s’agit d’inciter à la réalisation de projets d’infrastructures gazières dans des pays en développement. Une première contribution analytique présente le développement d’une représentation simplifiée du réseau de transport de gaz, de forme Cobb-Douglas. Inspiré par les projets d’acheminement de gaz naturel au Mozambique, celle-ci est ensuite utilisée pour évaluer dans quelles conditions il est possible pour une autorité de régulation de choisir un taux de rendement régulé qui améliore l’efficacité du système dans le cas où la demande réelle serait plus importante que la demande anticipée par la firme régulée. A moyen terme ensuite, l’efficacité face à une demande de plus en plus variable de la structure tarifaire actuelle dite « entrée-sortie » pour l’accès au réseau européen est évaluée. Après avoir démontré l’existence d’inefficacités dans un tel système, celles-ci sont évaluées numériquement. Enfin, la dernière contribution explore la possibilité d’offrir directement la flexibilité du réseau de transport de gaz à ses utilisateurs, dans le cadre d’enchères et du système de prix nodaux. Après avoir souligné la complexité d’un tel mécanisme, les limites à son efficacité sont présentées. A chaque fois, l’analyse repose sur la modélisation simultanée du réseau de transport de gaz (en régime statique ou transitoire) et des mécanismes économiques en jeu. / This PhD thesis is centered on the opportunities and impact of demand uncertainty for the gas transport networks. We study the ability of various market designs to foster an efficient network allocation in liberalized gas markets when demand is variable or uncertain. We introduce and solve operation research models that bind an economic representation of the gas market and its associated regulation, to a technical representation of the gas network. The complex interactions at stake in liberalized gas markets, where shippers trade gas for its economic value and coordinate with system operators that allocate and operate the network, result in MCP or MPEC formulations. While a detailed network representation is necessary to assess the feasibility of gas flows under any market organization, the physics and engineering of gas transport networks adds non-linearities and non-convexities to those already challenging formulations. This thesis is divided in four contributions. We first introduce an approximated network representation of the Cobb-Douglas form and use it to study the impact of long-term demand uncertainty on investment problems in developing markets subject to rate-of-return regulation. We then study the effect of demand variability on daily gas dispatch in the European Entry-Exit system, using a linearized steady-state network representation. Finally, we assess the benefits of introducing flexibility products in gas locational marginal pricing auctions to handle intraday demand uncertainty. This requires the use of a linearized transient network formulation to account for linepack dynamics.

Renewable cannibalization refers to the phenomenon where the increasing penetration of zeromarginal cost renewable energy sources, such as solar and wind power, leads to a decline in their market value. By extension, this threatens to reduce investment incentives in wind and solar. Based on theory of supply and demand, the extent to which cannibalization is experienced should increase as the penetration of wind and solar increases. Since electricity prices, and therefore cannibalization, are set with considerations to domestic system dynamics, regulations and policies, cannibalization research are typically limited to investigate it for a specific country or region. For this thesis, Spain has been chosen for the case study. Coupling an already high penetration of both wind and solar with ambitious goals for wind and solar capacity expansion, Spain constitutes an interesting case study for cannibalization research. The investigation is centered around two factors, the market capturing price (MCP) and the cannibalization factor (CF). The MCP is the generation weighted electricity price and measures absolute cannibalization, while the CF is the ratio between the MCP and the average electricity price, thus constituting a relative cannibalization measurement. These will be calculated using hourly day-ahead wind and solar forecasts, and day-ahead electricity prices. A time series econometric study is then conducted to quantify the cannibalization effect together with potentially influential factor that, in theory, should be the driving factors behind the cannibalization phenomenon. To investigate dynamic affects across these factors, temporal regressions are conducted. In these regressions, data is isolated in different groups based on their characteristics. Furthermore, carbon pricing and granular guarantees of origin (GOs) are investigated and assessed based on their potential for alleviating the effect of cannibalization.  The study finds that both wind and solar cannibalizes their own market values, and that cannibalization occurs across technologies. The results indicate that there is a negative marginal relation between wind and solar infeed, suggesting the presence of both self-cannibalization and cross-cannibalization effects on their respective MCPs. The same can be said for the CF of solar, for which there is a negative marginal effect with the infeed of wind and solar. These statements hold true across all ranges of wind and solar penetration investigated in the temporal regression analysis. Moreover, the negative relations increase as the penetration range increases, indicating that cannibalization effects are stronger at high renewable penetration. For wind power, this is not entirely the case. Although the regression results yielded a low coefficient of determination (R2), indicating weak explanatory power in the regressions, it is possible to interpret whether the marginal effects are positive or negative. The temporal regression results indicate that there is a positive marginal effect between solar infeed and the CF of wind when the penetration of solar is lower than 10%. Thus, considering the ambitious wind and solar capacity targets of Spain, the economic viability of wind and solar could be threatened. Furthermore, the results from the study indicate that although carbon pricing helps increasing the MCP for both wind and solar by adding an increment to the day-ahead price, it reduces the CF. Furthermore, carbon pricing is a limited tool for alleviating cannibalization, considering that it requires. Thus, once the system is fully decarbonized, carbon pricing is rendered obsolete. On the contrary, the implementation of granular (hourly) GOs provide extra revenue in addition to the revenue from sold electricity. Furthermore, its immediate effect is that it increases the revenue while not impacting the price of electricity. Thus, it helps counteracting both absolute and relative cannibalization effects. / Förnybar kannibalisering hänvisar till fenomenet där en ökande markandspenetration av förnybar energi med noll marginalkostnad, så som vind- och solkraft, leder till en minskning i deras marknadsvärde. Detta hotar i förlängningen att minska incitament för fortsatta investeringar inom vind- och solkraft. Baserat på teorier om utbud och efterfrågan bör graden av kannibalisering öka i takt med att marknadspenetrationen av vind- och solenergi ökar inom ett givet system. Eftersom elpriser, och därmed graden av kannibalisering, beror på nationella dynamiker inom kraftsystemet, föreskrifter och riktlinjer, utförs ofta studier om kannibaliserade effekter inom förnybar energi från fallstudier inom ett land eller en regions system. I denna avhandling har Spanien valt som fallstudie. Med en redan hög grad av förnybart inom elsystemet, samt ambitiösa mål för fortsatt utbyggnad av vind- och solkraft, utgör Spanien en intressant fallstudie för forskning om förnybar kannibalisering.  Undersökningen utgår från två faktorer; det produktionsviktade elpriset (MCP) och kannibaliseringsfaktorn (CF). MCP utgör en absolut faktor och är det produktionsviktade elpriset för en viss teknologi, medan CF utgör ett mått på relativ kannibalisering och beräknas genom att dividera MCP med det genomsnittliga elpriset. Dessa två faktorer beräknas genom att använda timvisa prognoser från dagen-före marknaden för produktion av vind- och solkraft, samt priser från spotmarknaden. Därefter utförs en ekonometrisk studie baserad på tidseriedata för att kvantifiera de kannibaliserande effekterna med avseende på utomstående faktorer som bör kunna ses som drivkrafter bakom kannibaliseringsfenomenet. Dessutom undersöks och bedöms koldioxidprissättning och timvisa ursprungsgarantier baserat på deras förmåga att lindra effekterna av kannibalisering i Spanien. Studien visar att både vind- och solenergi kannibaliserar sina egna marknadsvärden, samt att kannibalisering sker mellan kraftslag. Resultaten indikerar att det finns en negativ marginaleffekt mellan produktion av vind- och solel, vilket tyder på förekomsten av både självkannibaliserande och korskannibaliserande effekter på deras respektive produktionsviktade elpriser (MCP). Samma kan sägas gälla för solkraftens kannibaliseringsfaktor (CF), där det finns en tydlig negativ marginaleffekt gentemot produktion av vind- och solel. Dessa påståenden stämmer över alla intervall av vind- och solpenetration som undersökts i den temporala regressionsanalysen. Dessutom ökar de negativa relationerna desto högre intervall som avses, vilket tyder på att kannibaliseringseffekten är starkare vid hög penetration av förnybar energi. För vindkraft stämmer inte detta helt. Även om regressionsresultaten gav en låg determinationskoefficient (R2), vilket indikerar svag förklarande kraft i regressionerna, är det möjligt att tolka om marginaleffekterna är positiva eller negativa. De temporala regressionsresultaten visar att det finns en positiv marginal- effekt mellan produktionen av solel och CF för vindkraft när solkraft utgör mindre än 10% av den dagliga produktionen. Med tanke på Spaniens ambitiösa mål för vind- och solkapacitet kan den ekonomiska livskraften för vind- och solenergi hotas. Vidare visar resultaten från studien att även om koldioxidprissättning hjälper till att öka MCP för både vind- och solenergi genom att skapa ett tillägg på spotmarknadspriset, minskar det CF. Dessutom är koldioxidprissättning ett begränsat verktyg för att lindra kannibalisering, med tanke på att det kräver. När systemet är fullständigt avkarboniserat blir koldioxidprissättning överflödig. Å andra sidan ger implementeringen av granulära (timvisa) ursprungsgarantier (GOs) extra intäkter utöver intäkterna från såld el. Dessutom ökar det omedelbart intäkterna utan att påverka elpriset. På så sätt hjälper det till att motverka både absoluta och relativa kannibaliseringseffekter.