TSO-DSO Coordination : a multidimensional study on coordination schemes, modelling and regulation in the European context

Abstract

Los sistemas eléctricos en todo el mundo están experimentando cambios profundos. Entre los principales impulsores se encuentra la descarbonización del sector energético. A esto se suma la electrificación de otros sectores (por ejemplo, el transporte), nuevas oportunidades para la Respuesta de la Demanda (DR, por su sigla en inglés) y la digitalización del sector eléctrico, configurando el panorama para un futuro con una alta participación de Recursos Energéticos Distribuidos (DERs, por su sigla en inglés), planteando desafíos y oportunidades para los Operadores de Sistema (SOs, por su sigla en inglés). Todos estos cambios en curso están exigiendo una mayor coordinación entre el Operador del Sistema de Transporte (TSO, por su sigla en inglés) y el Operador del Sistema de Distribución (DSO, por su sigla en inglés), especialmente en lo que respecta a la adquisición y activación de la flexibilidad distribuida por ambos SOs. Esta tesis comienza argumentando que, en el contexto de la adquisición de flexibilidad proveída por recursos distribuidos por ambos Operadores de Sistema, faltan cuatro elementos clave. Estos son: (i) la integración de la flexibilidad de los DER en los mercados de equilibrio y gestión de congestión, (ii) esquemas de coordinación entre el TSO y el DSO para la adquisición de flexibilidad, (iii) modelos de optimización de transporte-distribución, y (iv) gestión y intercambio de datos. A continuación, la tesis presenta modelos para evaluar diferentes Esquemas de Coordinación (CS, por su sigla en inglés) en el contexto de la adquisición de flexibilidad distribuida utilizada para el balance y la gestión de congestiones en las redes de distribución y transporte. Los modelos propuestos se centran en la coordinación entre el TSO y los niveles de distribución de alta tensión, introduciendo la topología de malla-a-malla con múltiples subestaciones de interfaz TSO-DSO. Los modelos se aplican a dos estudios de caso realistas, a saber, los estudios de caso sueco y español. Se realizan estudios de caso de un período de un año basados en datos reales, que luego se someten a diferentes análisis de sensibilidad. Los resultados exploran el concepto de Flexibilidad No Suministrada (NSF, por su sigla en inglés) y exploran la capacidad de los DSO para resolver congestiones en diferentes escenarios de flexibilidad disponible. En el caso sueco, por ejemplo, los resultados sugieren que un aumento de 10 GWh de flexibilidad activada por año permitiría la incorporación de 145 GWh de demanda sin provocar una situación de NSF para el DSO. Este estudio también destaca la importancia de las características de los Proveedores de Servicios de Flexibilidad (FSP, por su sigla en inglés) que participan en los mercados de flexibilidad. En el caso español, la mayoría de los FSP eran Generación Distribuida (DG, por su sigla en inglés) no controlable, lo que limita la capacidad de incorporar nueva demanda únicamente a través del uso de flexibilidad, ya que la DG puede ofrecer poca o ninguna flexibilidad a subir. La modelización de diferentes CS también muestra que un CS Común conduce a menores costos de adquisición de flexibilidad, mientras que diferentes algoritmos para el Mercado de Flexibilidad Local (LFM, por su sigla en inglés) del DSO muestran que existe un compromiso entre el costo de adquisición de flexibilidad, la transparencia y simplicidad del mercado. La tesis también propone un modelo bi-nivel para el estudio de la fijación de precios de flujo en la interfaz. Considera un TSO-líder que establece precios de interfaz libremente, y DSO-seguidores en un juego de Stackelberg. Esto permite la identificación de riesgos regulatorios y la prueba de mecanismos regulatorios. Basándose en dos estudios de caso, los resultados muestran que un TSO líder estratégico tiene el incentivo de actuar para que los proveedores de flexibilidad más económicos se activen en comparación con la mejor opción, es decir, un esquema de coordinación común. Sin embargo, si se deja sin regular, también podría crear distorsiones en la asignación de costos, por las cuales se crean transferencias desproporcionadas del DSO al TSO. Aprovechando estos resultados, se propone un mecanismo de límites superior y inferior a los precios de flujo en la interfaz, demostrando que un CS Fragmentado con incentivos dedicados para el TSO podría ser una opción eficiente en comparación con el CS Común y otras opciones regulatorias encontradas en la literatura. Las conclusiones de este estudio proponen que un CS regulatorio y basado en precios (a saber, un CS Fragmentado con precios de interfaz e incentivos dirigidos por el TSO) puede ser un CS TSO-DSO implementable, que presenta una reducción en el intercambio de información, baja necesidad computacional o de Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC), menor supervisión regulatoria y un buen desempeño en términos de costos totales de adquisición de flexibilidad y asignación de costos en comparación con otras alternativas. Finalmente, se realiza un estudio cualitativo sobre las condiciones estructurales y regulatorias. En primer lugar, se identifican diferentes Modelos de Negocio (BM, por su sigla en inglés) relacionados con la flexibilidad y se lleva a cabo una consulta integral de partes interesadas. En segundo lugar, se presenta una evaluación regulatoria por país para ocho países europeos. Los resultados muestran la existencia de barreras importantes tanto desde la perspectiva de percepción de las partes interesadas como desde los marcos regulatorios de los diferentes países analizados. El análisis identifica que la explotación de flexibilidad distribuida por parte de TSO y DSO se basa en mercados impulsados por políticas, y que si los arreglos institucionales no están en su lugar, podría existir resistencia de otras partes interesadas para integrar los recursos necesarios para la provisión de flexibilidad. El análisis regulatorio también muestra que la implementación de CS que requieren intercambio de información o envío de ofertas sigue siendo limitada, especialmente en casos donde el producto no está armonizado. Mientras que los productos y mercados de balance son en su mayoría armonizados en todos los países debido a la regulación europea, los productos de gestión de congestión (si existen) no están armonizados, lo que plantea desafíos para los CS que requieren sincronización en el momento del mercado (por ejemplo, CS Común) o alguna armonización del producto para el envío de ofertas (por ejemplo, Multi-nivel). Esta tesis concluye proporcionando una evaluación integrada de los resultados obtenidos y las contribuciones realizadas al campo de investigación de la coordinación TSO-DSO. Las contribuciones están organizadas por las áreas identificadas en la revisión inicial de la literatura, argumentando que la modelización de diferentes CS, LFM y el análisis cualitativo permitieron la identificación de características importantes necesarias para el operador del sistema y los FSP para una mejor integración de la flexibilidad de DER en los mercados actuales y futuros. Se realizan contribuciones también en el campo de los CS y la modelización TSO-DSO, especialmente con la introducción de un nuevo modelo bi-nivel capaz de probar diferentes mecanismos regulatorios. Además se destaca la identificación e investigación de mecanismos basados en incentivos para la coordinación como una contribución clave. También se identifican futuras líneas de investigación, incluida la expansión de casos de estudio realistas para incluir modelos de distribución en alta tensión completos, la inclusión de otros servicios en el modelo bi-nivel y pruebas de nuevos mecanismos regulatorios.Power systems worldwide are experiencing deep changes. Among the main drivers is the decarbonisation of the energy sector. Summed to that, the electrification of other sectors (e.g. transportation), new opportunities for Demand Response (DR), and the digitalisation of the power sector set the landscape for a future with high shares of Distributed Energy Resources (DERs), posing challenges and opportunities for System Operators (SOs). All of these ongoing changes are calling for greater coordination between Transmission System Operator (TSO) and Distribution System Operator (DSO), especially concerning the procurement and activation of distributed flexibility by both SOs. This thesis starts by arguing that, in the context of distributed flexibility procurement by both System Operators, four key elements are missing. They are: (i) the DER flexibility integration in balancing and congestion management markets, (ii) coordination schemes between TSO and DSO for the procurement of flexibility, (iii) transmission-distribution optimisation models, and (iv) data management and exchange. Next, the thesis presents models for assessing different Coordination Schemes (CSs) in the context of distributed flexibility procurement used for balancing and congestion management at distributions and transmission grids. The proposed models focus on the coordination between the TSO and the high voltage distribution levels, introducing the meshed-to-meshed topology with multiple TSO-DSO interface substations. The models are applied to two realistic case study, namely the Swedish and the Spanish case studies. One-year period case studies based on real data are conducted, which are then subject to different sensitivity analyses. Results explore the concept of Non-Served Flexibility (NSF), and explore the capability for DSOs to solve congestions in different scenarios of available flexibility. In the Swedish case, for instance, results suggest that an increase of 10 GWh of activated flexibility per year would allow the incorporation of 145 GWh of demand without leading to an NSF situation for the DSO. This study also highlights the importance of the characteristics of Flexibility Service Providers (FSPs) participating in flexibility markets. In the Spanish case most of FSPs were non-controllable Distributed Generation (DG), limiting the capability to incorporate new demand solely through the use of flexibility, as DG can offer little or no upward flexibility. The modelling of different CSs also shows the a Common CS leads to lower flexibility procurement costs, while a different algorithms for the DSO’s Local FlexibilityMarket (LFM) shows that a trade-off between flexibility procurement cost and market transparency and simplicity exists. The thesis also proposes a bilevel model for the study of interface flow pricing. It considers a TSO-leader which sets interface prices freely, and DSO-followers in a Stackelberg game. This allows for the identification of regulatory risks and the testing of regulatory mechanisms. Based on two case studies, results showthat a strategic TSO has the incentive to act so that the most economical flexibility providers are activated when compared to the first-best option, namely a Common TSO-DSO flexibility market. If left unregulated, however, it might also create important distortions in cost allocation. Leveraging on these results, a cap and floor mechanisms is proposed, showcasing that a Fragmented CS with dedicated incentives for the TSO could be an efficient second-best when compared to the Common CS and other regulatory options found in the literature. The conclusions from this study propose that a regulatory and price-based CS (namely a Fragmented CS with interface prices and TSO-driven incentives) can be an implementable TSO-DSO CS, featuring reduced information exchange, lowcomputational or Information and Communications Technology (ICT) needs, reduced regulatory supervision and good performance in terms of total flexibility procurement costs and cost allocation when compared to other alternatives. Finally, a qualitative study on the structural and regulatory conditions is conducted. First, different flexibility-related Business Models (BMs) are identified and a comprehensive stakeholder consultation is conducted. Second, a regulatory country assessment is presented for eight European countries. Results show the existence of important barriers from both a stakeholders’ perception perspective as well as from the regulatory frameworks from the different countries analysed. The analysis identifies that distributed flexibility exploitation by TSOs and DSOs are based on policy-driven markets, and that if institutional arrangements are not in place, resistance might exist from other stakeholders to integrated the necessary resources for flexibility provision. The regulatory analysis also shows that the implementation of CS that require information exchange or bid forwarding are still limited, especially in cases where the product is not harmonised. While balancing products and markets are mostly harmonised in all countries due to European regulation, congestion management products (if existent) are not harmonised, posing challenges to CS that require market timing synchronisation (e.g. Common CS) or some product harmonisation for bid forwarding (e.g. Multi-level). This thesis concludes by providing an integrated assessment of the results obtained and the contributions made to the TSO-DSO coordination research field. Contributions are organised by the gaps identified in the initial literature review, arguing that the modelling of different CSs, LFMs and the qualitative analysis allowed for the identification of important characteristics necessary for system operator and FSPs for better integration of DER flexibility in current and future flexibility markets. Contributions are also made in the field of CSs and TSO-DSO modelling, especially with the introduction of novel bilevel model capable of testing of different regulatory mechanisms. The identification and investigation of incentive-based mechanisms for coordination is also highlighted as a key contribution. Future lines of research are also identified, including the expansion of realistic case studies to include complete subtransmission models, the inclusion of services other than overloads in the bilevel formulation and the testing of new and enhanced incentive-based mechanisms.