El problema de compromiso de la unidad ( UC ) en la producción de energía eléctrica es una gran familia de problemas de optimización matemática donde la producción de un conjunto de generadores eléctricos se coordina para lograr un objetivo común, generalmente igualar la demanda de energía a un costo mínimo o maximizar los ingresos. de la producción de electricidad. Esto es necesario porque es difícil almacenar energía eléctrica en una escala comparable con el consumo normal; por tanto, cada variación (sustancial) en el consumo debe ir acompañada de una variación correspondiente de la producción.
Coordinar las unidades de generación es una tarea difícil por varias razones:
- el número de unidades puede ser grande (cientos o miles);
- hay varios tipos de unidades , con costos de producción de energía significativamente diferentes y limitaciones sobre cómo se puede producir la energía;
- La generación se distribuye en una vasta área geográfica (por ejemplo, un país) y, por lo tanto, la respuesta de la red eléctrica , en sí misma un sistema muy complejo, debe tenerse en cuenta: incluso si se conocen los niveles de producción de todas las unidades, verificar si la carga puede sostenerse y cuáles son las pérdidas requieren cálculos de flujo de potencia muy complejos .
Debido a que los detalles relevantes del sistema eléctrico varían mucho en todo el mundo, existen muchas variantes del problema de UC, que a menudo son muy difíciles de resolver. Esto también se debe a que, dado que algunas unidades requieren bastante tiempo (muchas horas) para encenderse o apagarse, las decisiones deben tomarse con mucha anticipación (generalmente, el día anterior), lo que implica que estos problemas deben resolverse dentro de límites de tiempo ajustados (de varios minutos a algunas horas). La UC es, por tanto, uno de los problemas fundamentales en la gestión y simulación de sistemas de potencia . Se ha estudiado durante muchos años, [1] [2] y sigue siendo uno de los problemas de optimización energética más importantes. Las encuestas recientes sobre el tema [3] [4] cuentan muchos cientos de artículos científicos dedicados al problema. Además, varios productos comerciales comprenden módulos específicos para la resolución de CU, [5] o incluso están totalmente dedicados a su solución. [6]
Elementos de los problemas de compromiso de la unidad
Existen muchos problemas de UC diferentes, ya que el sistema eléctrico está estructurado y gobernado de manera diferente en todo el mundo. Los elementos comunes son:
- Un horizonte de tiempo a lo largo del cual deben tomarse las decisiones, muestreadas en un número finito de instantes de tiempo . Suele ser uno o dos días, hasta una semana, donde los instantes suelen ser horas o medias horas; con menos frecuencia, 15 o 5 minutos. Por lo tanto, los instantes de tiempo suelen estar entre 24 y 2000.
- Un conjunto de unidades generadoras con el correspondiente costo de producción de energía y / o curvas de emisión, y restricciones técnicas (complejas).
- Una representación de la parte significativa de la red de la red .
- Un perfil de carga (previsto) a satisfacer, es decir, la cantidad neta de energía que se entregará a cada nodo de la red de red en cada instante de tiempo.
- Posiblemente, un conjunto de restricciones de confiabilidad [7] que aseguren que la demanda será satisfecha incluso si ocurren algunos eventos imprevistos.
- Posiblemente, condiciones financieras y / o regulatorias [8] (ingresos energéticos, limitaciones de funcionamiento del mercado, instrumentos financieros, ...).
Las decisiones que deben tomarse suelen comprender:
- decisiones de compromiso : si una unidad está produciendo energía en cualquier momento;
- decisiones de producción : cuánta energía está produciendo una unidad en cualquier instante;
- Decisiones de red : cuánta energía fluye (y en qué dirección) en cada rama de la red de transmisión y / o distribución en un momento dado.
Si bien las características anteriores suelen estar presentes, existen muchas combinaciones y muchos casos diferentes. Entre estos mencionamos:
- si las unidades y la red son manejadas por un Operador Monopolístico (MO), [9] o un Operador del Sistema de Transmisión (TSO) separado administra la red proporcionando un acceso justo y no discriminatorio a las Empresas Generadoras (GenCos) que compiten para satisfacer la producción en el (o, más a menudo, varios) mercado (s) de la energía interconectados ;
- los diferentes tipos de unidades de producción de energía , como las térmicas / nucleares, las hidroeléctricas y las fuentes renovables (eólica, solar, ...);
- qué unidades pueden ser moduladas , es decir, su energía producida puede ser decidida por el operador (aunque sujeto a las limitaciones técnicas de la unidad), en contraposición a que sea completamente dictada por factores externos como las condiciones climáticas;
- el nivel de detalle en el que se debe considerar el funcionamiento de la red eléctrica , que va desde básicamente ignorarlo hasta considerar la posibilidad de abrir (interrumpir) dinámicamente una línea para cambiar de manera óptima el enrutamiento de la energía en la red. [10]
Objetivos de manejo
Los objetivos de la UC dependen de los fines del actor para el que se resuelve. Para un OM, esto es básicamente para minimizar los costos de producción de energía mientras se satisface la demanda; la fiabilidad y las emisiones suelen tratarse como limitaciones. En un régimen de libre mercado, el objetivo es más bien maximizar los beneficios de la producción de energía , es decir, la diferencia entre los ingresos (debido a la venta de energía) y los costos (debido a su producción). Si GenCo es un creador de precios , es decir, tiene un tamaño suficiente para influir en los precios de mercado, en principio puede realizar licitaciones estratégicas [11] para mejorar sus beneficios. Esto significa ofertar su producción a alto costo para subir los precios de mercado, perdiendo participación de mercado pero reteniendo algo porque, esencialmente, no hay suficiente capacidad de generación. Para algunas regiones, esto puede deberse al hecho de que no hay suficiente capacidad de red de red para importar energía de regiones cercanas con capacidad de generación disponible. [12] Si bien los mercados eléctricos están muy regulados para, entre otras cosas, descartar tal comportamiento, los grandes productores aún pueden beneficiarse de la optimización simultánea de las ofertas de todas sus unidades para tener en cuenta su efecto combinado sobre los precios de mercado. [13] Por el contrario, los tomadores de precios pueden simplemente optimizar cada generador de forma independiente, ya que, al no tener un impacto significativo en los precios, las decisiones correspondientes no están correlacionadas. [14]
Tipos de unidades de producción
En el contexto de UC, las unidades generadoras se suelen clasificar como:
- Unidades térmicas , incluidas las nucleares , que queman algún tipo de combustible para producir electricidad. Están sujetos a numerosas restricciones técnicas complejas, entre las que podemos mencionar a mínima y / o el tiempo de inactividad , la rampa hacia arriba / abajo tasa , la modulación / estabilidad (una unidad no puede cambiar su nivel de producción demasiadas veces [15] ), y la puesta en marcha / parada - Tasa de rampa descendente (al arrancar / parar, una unidad debe seguir una curva de potencia específica que puede depender del tiempo que la planta ha estado fuera de línea / en línea [16] ). Por lo tanto, optimizar incluso una sola unidad es, en principio, un problema complejo que requiere técnicas específicas. [17]
- Las unidades hidroeléctricas , que generan energía mediante la recolección de energía potencial del agua, a menudo se organizan en sistemas de embalses conectados llamados valles hidroeléctricos . Debido a que el agua liberada por un reservorio aguas arriba llega al aguas abajo (después de algún tiempo) y, por lo tanto, está disponible para generar energía allí, se deben tomar decisiones sobre la producción óptima para todas las unidades simultáneamente, lo que hace que el problema sea bastante difícil incluso si no (o hay poca) producción térmica [18] , más aún si se considera el sistema eléctrico completo. [19] Las unidades hidroeléctricas pueden incluir unidades de almacenamiento por bombeo , donde se puede gastar energía para bombear agua cuesta arriba. Esta es la única tecnología actual capaz de almacenar suficiente energía (potencial) para ser significativa al nivel típico del problema de UC. Las unidades hidroeléctricas están sujetas a complejas limitaciones técnicas. La cantidad de energía generada al turbinar cierta cantidad de agua no es constante, sino que depende de la altura del agua que a su vez depende de decisiones previas. La relación no es lineal ni convexa, lo que hace que el problema sea particularmente difícil de resolver. [20]
- Unidades de generación renovable, como parques eólicos , plantas solares , unidades hidroeléctricas de pasada (sin reservorio dedicado, y por lo tanto, cuya producción está dictada por el flujo de agua) y unidades geotérmicas . La mayoría de estos no se pueden modular , y varios también son intermitentes , es decir, su producción es difícil de pronosticar con precisión con mucha antelación. En la UC, estas unidades no corresponden realmente a decisiones, ya que no se pueden influir en ellas. Más bien, su producción se considera fija y se suma a la de las otras fuentes. El aumento sustancial de la generación renovable intermitente en los últimos años ha aumentado significativamente la incertidumbre en la carga neta (demanda menos producción que no se puede modular), lo que ha desafiado la visión tradicional de que la carga pronosticada en UC es lo suficientemente precisa. [21]
Modelos de redes eléctricas
Hay tres formas diferentes en las que se representa la red energética dentro de una UC:
- En la aproximación de un solo bus, se ignora la red: se considera que la demanda está satisfecha siempre que la producción total sea igual a la demanda total, independientemente de su ubicación geográfica.
- En la aproximación de DC solo se modela la ley de la corriente de Kirchhoff ; Esto corresponde a la potencia reactiva de flujo siendo descuidados, la tensión de ángulos diferencias siendo considerados pequeño, y el perfil de tensión ángulo que se suponen constantes;
- En el modelo AC completo se utilizan las leyes de Kirchhoff completas : esto da como resultado restricciones altamente no lineales y no convexas en el modelo.
Cuando se utiliza el modelo de CA completo, UC incorpora en realidad el problema de flujo de potencia óptimo , que ya es un problema no lineal no convexo.
Recientemente, la visión tradicional "pasiva" de la red de energía en UC ha sido desafiada. En una red eléctrica fija, las corrientes no pueden enrutarse, ya que su comportamiento está totalmente dictado por la inyección de energía nodal: la única forma de modificar la carga de la red es, por lo tanto, cambiando la demanda o producción nodal, para lo cual hay un alcance limitado. Sin embargo, una consecuencia un tanto contraria a la intuición de las leyes de Kirchhoff es que la interrupción de una línea (tal vez incluso una congestionada) provoca un redireccionamiento global de la energía eléctrica y, por lo tanto, puede mejorar el rendimiento de la red. Esto ha llevado a definir el problema de conmutación de transmisión óptima , [10] mediante el cual algunas de las líneas de la red pueden abrirse y cerrarse dinámicamente a lo largo del horizonte temporal. La incorporación de esta característica en el problema de UC hace que sea difícil de resolver incluso con la aproximación de CC, más aún con el modelo de CA completo. [22]
Incertidumbre en los problemas de compromiso de la unidad
Una consecuencia preocupante del hecho de que la UC debe resolverse con mucha anticipación a las operaciones reales es que el estado futuro del sistema no se conoce con exactitud y, por lo tanto, debe estimarse. Esto solía ser un problema relativamente menor cuando la incertidumbre en el sistema solo se debía a la variación de la demanda de los usuarios, que en conjunto se puede pronosticar con bastante eficacia, [23] [24] y la aparición de fallas en las líneas o generadores, que pueden ser tratada por reglas bien establecidas ( reserva de hilatura ). Sin embargo, en los últimos años la producción a partir de fuentes de producción renovables intermitentes ha aumentado significativamente. Esto, a su vez, ha aumentado de manera muy significativa el impacto de la incertidumbre en el sistema, por lo que ignorarlo (como se hace tradicionalmente al tomar estimaciones de puntos promedio) corre el riesgo de aumentos significativos de costos. [21] Esto había hecho necesario recurrir a técnicas apropiadas de modelado matemático para tener en cuenta adecuadamente la incertidumbre, tales como:
- Enfoques de optimización robustos ;
- Enfoques de optimización de escenarios ;
- Enfoques de optimización con restricciones de azar.
La combinación de las (ya, muchas) formas tradicionales de problemas de UC con las diversas (antiguas y) nuevas formas de incertidumbre da lugar a una familia aún mayor de problemas de compromiso de unidad incierta [4] (UUC), que actualmente se encuentran en la frontera de la investigación aplicada y metodológica.
Modelos integrados de transmisión y distribución
Uno de los principales problemas del problema de compromiso de la unidad en tiempo real es el hecho de que la demanda de electricidad de la red de transmisión se trata generalmente como un "punto de carga" en cada sistema de distribución . Sin embargo, la realidad es que cada punto de carga es una red de distribución compleja con sus propias subcargas, generadores y DER . Al simplificar una distribución en puntos de carga, se pueden producir problemas operativos extremos de toda la red eléctrica. Dichos problemas incluyen alta presión en el sistema de transmisión de energía y flujo inverso de energía desde los sistemas de distribución hacia el sistema de transmisión de energía. Por lo tanto, los sistemas integrados de transmisión y distribución nacen de un nuevo enfoque para resolver de manera más eficaz el problema de compromiso de la unidad. [25] En tales modelos, el problema de compromiso unitario de los Sistemas de Transmisión suele combinarse con el Problema de Gestión Renovable de los Sistemas de Distribución mediante herramientas de programación de dos niveles.
Ver también
- Mercado de la electricidad
Referencias
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enlaces externos
- Se puede encontrar una descripción del papel de los problemas de compromiso de la unidad en el contexto general de la gestión del sistema de energía en el Wiki de Optimización de Energía desarrollado por el proyecto COST TD1207.