Improved combined-cycle power plant representation in electricity system optimization models

The European goal towards future decarbonisation and the increased renewable energy sources (RES) penetration are influencing the electricity system operations and the mix of power generation technologies. Within this framework, combinedcycle power plants (CCGTs) present some advantages due to their higher flexibility in operating either in combined-cycle or in open-cycle and due to their environmental friendliness. Also favoured by their short construction time, their installed capacity has been increasing in the last decades. Therefore, an accurate representation of this technology is fundamental in unit commitment (UC) models, which aim to optimally schedule units. However, the different configurations in which CCGTs can operate constitute a modelling challenge. This thesis developed a comprehensive power-based, configuration-based formulation which can capture CCGTs flexibility and operating limits. The proposed formulation is valid for CCGTs with one or two gas turbines and one steam turbine, with the 2x1 plants introduced in two new different formulations. Another contribution of this work is given by the inclusion of costs deriving from the Long-Term Service Agreements, which plan maintenance interventions. The power-based approach, with the addition of start-up and shutdown trajectories, is implemented so as to avoid infeasibility in units scheduling. A UC model, formulated in GAMS, simulates a portfolio of thermal power plants and the scheduling of CCGTs has been analysed. Results show that, with respect to a simpler aggregated formulation, the configuration-based approach requires higher computational burden, but it allows to better capture CCGTs operating costs and the flexibility offered by this technology. Moreover, the way in which 2x1 units are modelled influences the CCGTs dispatch, making formulation of 2x1 units a discriminant factor in the units scheduling.

La decarbonizzazione imposta come obiettivo europeo e l’incrememento nella capacità installata di fonti rinnovabili influenzano le operazioni del sistema elettrico e il mix di tecnologie per la produzione di potenza. In questo contesto, gli impianti a ciclo combinato offrono alcuni vantaggi dovuti alle loro minori emissioni e alla loro flessibilità nell’operare sia a ciclo aperto sia a ciclo combinato. Favoriti dai brevi tempi di costruzione, la capacità installata dei cicli combinati è aumentata negli ultimi decenni. Pertanto, un’accurata rappresentazione di questa tecnologia è fondamentale nei modelli di unit commitment, il cui scopo è lo scheduling ottimale degli impianti. Tuttavia, le diverse configurazioni in cui i cicli combinati possono operare costituiscono una sfida per la loro modellizzazione. Questo lavoro di tesi sviluppa una formulazione power-based e configuration-based che può cogliere la flessibilità e i limiti operativi di questi impianti. La presente formulazione è valida per cicli combinati con una o due turbine a gas più una turbina a vapore. Per gli impianti 2x1, due nuove e differenti formulazioni sono proposte. Ulteriore contributo di questo lavoro è dato dall’inclusione dei costi derivanti dai Long- Term Service Agreements, che programmano la manutenzione dei componenti. L’approccio power-based, con l’aggiunta di traiettorie di start-up e shut-down, è implementato al fine di evitare uno scheduling delle unità non fattibile. Attraverso un modello di unit commitment formulato in GAMS, un portfolio di impianti alimentati con combustibili fossili è stato simulato e lo scheduling degli impianti a ciclo combinato analizzato. I risultati mostrano che, rispetto ad una formulazione aggregata più semplice, l’approccio configuration-based richiede un maggiore carico computazionale, ma permette di cogliere con più precisione i costi operativi dei cicli combinati e la flessibilità che questa tecnologia offre. Inoltre, il modo in cui gli impianti 2x1 sono implementati influenza il dispacciamento degli impianti stessi, rendendo la formulazione delle unità 2x1 un fattore discriminante nello scheduling del portfolio.