[en] IMPACT OF PRICE AGGREGATION ON MARKET POWER: THE USE OF EQUILIBRIUM MODELS APPLIED TO THE BRAZILIAN ELECTRICITY MARKET

[pt] IMPACTO DA AGREGAÇÃO DE PREÇO NO PODER DE MERCADO: O USO DE MODELOS DE EQUILÍBRIO APLICADOS AO MERCADO BRASILEIRO DE ELETRICIDADE

[pt] JOAO PEDRO MATTOS COSTA

[pt] MERCADO DE ELETRICIDADE

[pt] PRECO ZONAL

[pt] EQUILIBRIO DE NASH

[en] ELECTRICITY MARKET

[en] MARKET POWER

[en] NASH EQUILIBRIUM

[pt] Mercados de energia buscam equilíbrio entre oferta e demanda por meio de mecanismos competitivos, balanceando ofertas de geradores e a demanda prevista para o dia seguinte ou para médio e longo prazos. Por conta da estocasticidade envolvida, é necessário o desenvolvimento de modelos de otimização sob incerteza que garantam o sucesso do planejamento e operação do sistema. Aos reguladores, cabe a elaboração de desenhos de mercado eficazes além do seu monitoramento constante, atualizando suas regras sempre que necessário. No Brasil, a agenda de modernizações do Ministério de Minas e Energia, prevista para a próxima década, tem como um de seus principais desafios a revisão do mecanismo de formação de preços, que passaria a ser por ofertas, em detrimento do modelo atual por custos auditados. Por um lado, as ofertas dos agentes poderão capturar suas próprias percepções de risco e devem incentivar a competição; por outro, facilitam o exercício de poder de mercado por parte dos competidores, o que deve ser mitigado pelo órgão que monitora o mercado. Para tal, faz-se necessária a elaboração de um desenho customizado à realidade brasileira, por conta das peculiaridades de nossa matriz elétrica hidrotérmica e outras especificidades, como as cascatas de usinas hidrelétricas de múltiplos agentes e a crescente penetração de fontes renováveis intermitentes. Nesse sentido, a forma de agregação dos preços da energia tem papel relevante para a mitigação do exercício de poder mercado, e sua relação com os demais elementos do desenho de mercado adotado são cruciais para garantir a competitividade. Outro ponto essencial para garantir o sucesso da competição é, conforme dito, o monitoramento do exercício de poder de mercado pelas autoridades competentes. Uma das ferramentas ex-ante amplamente utilizadas para esse fim são os modelos de equilíbrio, notadamente o Equilíbrio de Nash, cujos conceitos são baseados na Teoria dos Jogos Não-Cooperativos. Nessa abordagem, o comportamento dos competidores é simulado, baseado em sua racionalidade econômica, em busca de um ponto de equilíbrio em que nenhum deles tem interesse em alterar suas ofertas, por não ser possível aumentar sua receita. Por meio da modelagem e simulação do mercado em estudo, é possível calcular tal ponto de equilíbrio e comparar situações em que os competidores têm o poder de alterar suas ofertas para maximizar suas receitas com situações em que eles são induzidos a apresentar ofertas condizentes com seus custos marginais de produção de energia, evidenciando possibilidades de exercício unilateral de poder de mercado. O presente trabalho tem como objetivo investigar o impacto da agregação dos preços em um mercado zonal com despacho nodal no exercício de poder de mercado por parte dos competidores, fazendo uso de modelos de equilíbrio e aplicando a um mercado brasileiro com formação de preço por ofertas. Para tal, será implementado um Equilíbrio de Stackelberg em um problema binível, onde o problema superior visa a maximização da receita do competidor líder e o inferior trata do despacho de energia com a reação dos demais jogadores. O Equilíbrio de Nash será encontrado a partir da implementação iterativa do Equilíbrio de Stackelberg para todos os jogadores e, para tal, será levada em conta a função de Nikaido-Isoda para a atualização das ofertas. A função bilinear apresentada no Mathematical Program with Equilibrium Constraints – MPEC descrito será linearizada pela abordagem de Fortuny-Amat-McCarl, com a substituição do segundo nível por suas condições de Karush-Kuhn-Tucker – KKT. Por fim, o modelo será aplicado a um sistema com dados extraídos do Sistema Interligado Nacional – SIN, permitindo o estudo do impacto da formação de preço zonal e nodal no exercício de poder de mercado.

[en] Energy markets seek the match of supply and demand through competitive mechanisms, balancing generators offers and forecast demand for the day ahead or for the medium and long term. Due to the stochasticity involved, it is necessary to develop optimization under uncertainty models that guarantee the success of the planning and operation of the system. Regulators are responsible for designing effective rules and monitoring the market behavior, in order to update them whenever necessary. In Brazil, the modernization agenda of the MME – Ministry of Mines and Energy, scheduled for the next decade, has as one of its main challenges the update of the price formation mechanism, which could be by offers, instead of the current model by audited costs. On the one hand, agents offers may capture their own perceptions of risk and should encourage competition; on the other hand, they enable the exercise of market power by competitors, which must be mitigated by the market monitoring body. To this end, it is necessary to develop a customized design for the Brazilian reality, due to the peculiarities of our hydrothermal electrical matrix and other specificities, such as the cascades of hydroelectric plants with multiple owners and the increasing penetration of intermittent renewable resources. In this sense, the form of aggregation of energy prices plays a relevant role in mitigating the exercise of market power, and its relationship with the other elements of the adopted market design are crucial to ensure competition. Another essential point to guarantee the success of the competition is, as mentioned before, the monitoring of market power by the competent authorities. One of the ex-ante tools widely used for this purpose are equilibrium models, particularly the Nash Equilibrium, whose concepts are based on the Theory of Non-Cooperative Games. In this approach, the behavior of competitors is simulated, based on their economic rationality, in search of na equilibrium point in which none of them is interested in changing their offers, as it is not possible to increase their revenue. Through the modeling and simulation of the market under study, it is possible to calculate such equilibrium point and compare situations in which competitors have the power to change their offers to maximize their revenues with situations in which they are induced to present offers consistent with their marginal energy production costs, indicating possibilities of unilateral exercise of market power. The present work aims to investigate the impact of price aggregation in a zonal market with nodal dispatch on the exercise of market power by competitors, making use of equilibrium models and applying them to a Brazilian market with price formed by offers. To achieve this goal, a Stackelberg Equilibrium will be implemented in a bilevel problem, where the upper problem aims at maximizing the revenue of the leading competitor and the lower one deals with the energy dispatch as the reaction of the other players. The Nash Equilibrium will be reached by implementing iteratively the Stackelberg Equilibrium for all players and, in this sense, the Nikaido-Isoda function will be taken into account while updating the offers. The bilinear function presented in the Mathematical Program with Equilibrium Constraints – MPEC described will be linearized by the Fortuny-Amat-McCarl approach, with the replacement of the second level by its Karush-Kuhn-Tucker – KKT conditions. Finally, the model will be applied to a system with data extracted from the brazilian network, allowing the study of the impact of zonal and nodal price formation on the exercise of market power.

BRUNO FANZERES DOS SANTOS

2022-08-19

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