Metodología para el diseño de microrredes aisladas usando métodos de optimización numérica

Abstract

Actualmente, la mayoría de sistemas eléctricos aislados que incluyen fuentes basadas en combustibles fósiles, están siendo modificados por esquemas de generación híbridos que reducen el impacto ambiental, aprovechando los recientes avances en el área de las energías renovables. En esta tesis se propone una metodología para realizar el diseño de una microrred híbrida aislada, empleando métodos de optimización iterativos y considerando como caso de estudio el municipio de Unguía en el departamento de Chocó. El diseño busca minimizar el costo de operación de la red y las emisiones de CO2, garantizando un nivel de confiabilidad en el suministro. El diseño de la microrred considera los siguientes elementos: generadores Diesel, un banco de baterías, paneles fotovoltaicos, aerogeneradores, un sistema de almacenamiento por bombeo de agua y vehículos eléctricos. Para dar un enfoque realista se consideran variaciones horarias en la demanda eléctrica, la velocidad del viento, la temperatura ambiente y la radiación solar. Estos datos fueron reportados por entidades de medición del clima y prestadoras del servicio eléctrico en el lugar de estudio. Las variables de diseño son: el número de paneles fotovoltaicos, el número de aerogeneradores y el número de baterías para un tipo dado de cada elemento, el volumen del tanque de almacenamiento de agua, la potencia nominal de la bomba y de la turbina hidráulica. Además se calcula la potencia de carga y descarga de los sistemas de almacenamiento, la demanda no suministrada y la potencia entregada por el generador Diesel en cada hora. Se proponen dos enfoques para resolver el problema de optimización planteado: optimización basada en escenarios determinísticos y optimización basada en escenarios probabilísticos. Los resultados obtenidos con ambos métodos se comparan con los diseños calculados usando los siguientes métodos tradicionales: el software HOMER y una metodología heurística basada en algoritmos genéticos. Con los métodos propuestos se obtienen diseño con mínimo costo.

Abstract: Currently, most of the isolated electrical systems which operate with fossil fuel sources are being modified by hybrid schemes that minimize environmental impact, taking advantage of recent advances in the renewable energies topic. This thesis proposes a methodology for the design of an isolated hybrid microgrid. Using iterative optimization methods and the Unguía community in Chocó department as study case, the design goal aims to minimize the cost of grid operation and CO2 emissions, ensuring a level of supply reliability. The following elements are considered in the microgrid design: Diesel generators, a battery bank, solar panels, wind turbines, a hydro pumped storage system and electric vehicles. Hourly variations are considered in the conditions of the problem such as: load demand, wind speed, environment temperature and solar radiation. These data were reported by entities that measure the climate and electric service suppliers at the study site. The resulted design establishes: the number of photovoltaic panels, the number of wind turbines and the number of batteries for a given type of each element, the volume of the water storage tank, the pump and the hydraulic turbine capacity. Moreover charge and discharge power of storage systems, the unmet load and the power delivered by the diesel generator are calculated at each time. Two methods to solve the optimization problem are proposed: Optimization based on deterministic scenarios and optimization based on probabilistic scenarios. The results obtained with both methods are compared with the designs calculated using the following traditional methods: The HOMER software and a heuristic method based on genetic algorithms. With the proposed methods a design with minimal cost is obtained.