Modelo de optimización interdependiente entre el sistema de potencia y el sistema de gas natural en Colombia
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Autores
García-Marín, Sergio
Director
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Inglés
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Resumen
Este trabajo tuvo como objetivo realizar un estudio que permitiera optimizar la operación interdependiente del sistema eléctrico y de gas natural colombiano. Para este propósito se implementaron dos líneas de trabajo, la primera consistió en obtener un modelo reducido del sistema eléctrico colombiano que conservara las principales características técnicas y económicas del sistema original. La segunda línea consistió en el desarrollo y la implementación de un problema de optimización que solucionara la operación interdependiente de los sistemas eléctricos y de gas natural. Para cada una de estas líneas de trabajo se escribió un artículo de investigación, que en conjunto forman la presente tesis. A continuación se presentan los resúmenes de estos artículos: Artículo [I] Los modelos de optimización de la planeación y la operación de sistemas eléctricos se han vuelto complejos en los últimos años debido a la proliferación de tratamientos estocásticos y de seguridad, a medida de que la penetración de fuentes de energías renovables aumenta. Es por esto que los modelos reducidos de la red pueden ser muy útiles para mantener el tamaño del problema de optimización manejable, siempre que las características más destacadas de la red se conserven. Este artículo presenta una simplificación del sistema eléctrico colombiano que ha sido reducido a 96 barras y 209 líneas de transmisión, correspondientes a niveles de tensión de 220 y 500 kV. La metodología usada para la validación busca preservar las características eléctricas y económicas de la red original a través de un procedimiento que recalca puntos operativos con alta probabilidad de ocurrencia, y compara los resultados del modelo reducido con los del modelo original con respecto a los perfiles de tensión, congestión en líneas, y precios de energía localizados. Artículo [II] MPNG es un paquete de simulación de código abierto que permite resolver problemas de Flujos Óptimos de Potencia y Gas Natural (OPNGF). Fue programado en Matlab y desarrollado a través de la muy usada herramienta de investigación y educación para de análisis de sistemas de potencia, Matpower. MPNG ejecuta una formulación no lineal en estado estacionario de un OPNGF para analizar la integración de las redes de energía eléctrica y gas natural, teniendo en cuenta la prioridad en los consumidores y estaciones de almacenamiento de gas controladas por los precios nodales. Este artículo presenta los detalles del modelo de optimización no lineal detrás de MPNG y describe la aproximación de la ecuación de Weymouth para tratar el flujo bidireccional de gas en gasoductos. También se presenta una representación del sistema por unidad para la red de gas natural como parte del mecanismo que permite la integración entre ambos sistemas. Los resultados de simulación presentados para demostrar las capacidades de MPNG en resolver problemas de OPNGF se hicieron utilizando los sistemas eléctrico y de gas natural colombiano. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
The research objective in this work aimed at optimizing the joint operation of the Colombian electric power and natural gas systems. To this end, two simultaneous lines of work were pursued. The first dealt with the development of a reduced model of the electric power system that would retain the salient technical and economic characteristics of the original system. The second line of work involved the formulation, implementation and testing of a framework for optimal joint operations planning of the electric power and natural gas systems. Each line of work is documented in an academic research paper, and those two papers carry the main expository work in this thesis. The following paragraphs present the abstracts of these two works.
Paper [I] Planning and operations optimization models for electric power systems have become quite involved and complex in recent years due to the proliferation of stochastic and security-focused approaches as the penetration of renewable sources of energy increases. Because of this, reduced network models can be useful in order to keep the overall optimization problem's size tractable, as long as the most salient features of the network are preserved. This paper presents a simplification of the Colombian power system which has been reduced to 96 buses and 209 transmission lines, corresponding to voltage levels of 220 and 500 kV. The methodology used for the validation attempts to preserve the most important electrical and economic features of the original network through a procedure that emphasizes operational points with a high probability of occurrence, and compares the reduced model's results with the original ones with regards to voltage profiles, line congestion, and locational energy prices.
Paper [II] MPNG is an open-source simulation package for solving Optimal Power and Natural Gas Flow (OPNGF) problems. Coded in MATLAB and developed using the widely-used tool for power systems research and education, Matpower, MPNG assembles a nonlinear steady state OPNGF formulation for analyzing the integration of electricity and natural gas networks with order-of-priority classes of consumers and gas nodal price-controlled storage facilities. This paper presents the details of the nonlinear non-convex optimization model behind MPNG and describes an approximation of the Weymouth equation for handling bi-directional gas flows in pipelines. A per-unit representation for natural gas network is also introduced as part of the mechanism that allows integration between both systems. Simulation results using the Colombian power and natural gas networks are presented for demonstrating MPNG's capabilities to solve OPNGF problems.
Palabras clave propuestas
Descripción
gráficos, tablas.