SimSEE. Simulación de Sistemas de Energía Eléctrica

Transcripción

1 Simulación de Sistemas de Energía Eléctrica SimSEE Instituto de Ingeniería Eléctrica Departamento de Potencia FING UDELAR Curso Abril 2011 Ruben Chaer ( rch@todo.com.uy)

2 Calendario Martes y Jueves de 9 a 12 del 5/4 al 2/6 del 2011.

3 Requisitos. Derivada e Integral. Potencia y Energía. Costo, Precio y Valor.

4 Objetivo del curso. Operación Planificación * Optimización del uso de los recursos de generación. * Cálculo de precio spot. * Cálculo de ingresos de un generador independiente. * Evaluación de los ingresos de proyectos de generación con energías alternativas. * Cálculo de precios de equilibrio en contratos de compra venta de energía. * Manejo de la incertidumbre hidrológica * Volatilidad del precio del petróleo sobre los costos de generación. * Evaluación de la influencia de los Costos asignados de Falla sobre el uso de los recursos del sistema. * Cálculo de la Potencia Firme Hidráulica y de la potencia de respaldo necesaria en el sistema. * Planificación de la expansión. t

5 Un ejemplo.

6 Metodología y Material

7 Desarrollo del curso. El Sistema Tecnicas de Modelado y Simulación. Detalles de la Implementación Trabajo Fin. Generalidades Uso del SimSEE

8 Módulo 1 GENERALIDADES Introducción a la simulación de sistemas dinámicos Modelado y Simulación Técnicas de Modelado Orientada por los Objetos Simulación y Política de Operación de los Embalses

9 Módulo 2 DESCRIPCION DEL SISTEMA Descripción del Sistema y Mercado Eléctrico Sistema Físico Generación, Transmisión y Distribución Despacho de ENERGÍA Simulación y Política de Operación de los Embalses Disponibilidad de POTENCIA COSTOS DE FALLA Interconexiones Internacionales Mercados de OCASION y CONTRATOS

10 Módulo 3 TECNICAS DE MODELADO Y SIMULACION Simuladores y Despacho Óptimo Ejemplos de estudios. Ejercicios.

11 Módulo 4 DETALLES DE LA IMPLEMENTACION SOFTWARE Modelado de series aleatorias Algoritmos de optimización

12 Primera Parte El universo del discurso.

13 Sistema y Simulador

14 El Sistema Generadores Demandas Red eléctrica Interconexiones

15 El Simulador Una Herramienta

16 Por qué y para qué?

17 Demanda - Potencia y Energía. MW 0 23 hora

18 Estacionalidad de la demanda. Demanda Uruguay 2007 Serie1 01/01/ /01/ /01/ /02/ /02/ /03/ /03/ /04/ /04/ /05/ /05/ /06/ /06/ /07/ /07/ /07/ /08/ /08/ /09/ /09/ /10/ /10/ /11/ /11/ /12/ /12/ /12/2007 día GWh/día

19 Racionamiento, Falla Falla, Déficit Demanda instisfecha Costo de Falla

20 Expansión de la Demanda Demanda de energía eléctrica Uruguay. Hasta el 2008 son datos reales Restricciones 2006 Invierno suave 2007 Restricciones 2008 Crisis Financiera GWh/año 6000 Restricciones 1979 Crísis 2000 D DP La Tablita Restricciones año

21 Los Generadores Hidráulica Térmica Eólica Nuclear Biomasa Solar Geo-Térmica

22 Las interconexiones Otros mecados-sistemas Intercambios ocasionales y/o por contrato. Apoyo entre países. Demandas o generadores según sean exportaciones o importaciones.

23 Expansión prevista Alcanzar 300 MW de eólica y 200MW de biomasa instalada al MW de interconexión con Brasil para, fines del 2012 (conversa de frecuencia BackToBack en la frontera). Otros proyectos que andan revoloteando: Central a Carbón (Nacional o en Candiota), Central Nuclear, Ciclo Combinado a Gas Natural (de la mano de la planta de regasificación de gas traído en barcos). Más moto-generadores como los instalados en Central Batlle.

24 Objetivo de Operar un SEE Suministrar la demanda al menor costo posible en condiciones de calidad aceptable.

25 Costo Futuro = CF

26 Política de uso de los recursos Qué? Cuándo? Costo presente vs. futuro. Incertidumbre. Valor Esperado y Riesgo.

27 Metodología.

28 Horizonte de tiempo

29 Aleatoriedad y Crónicas Históricas.

30 Modelo del sistema Entradas Sistema Salidas

31 Entradas Determinísticas Entradas Sistema Salidas

32 Entradas Aleatorias Entradas Sistema Salidas

33 Entradas Entradas Sistema Salidas

34 Estado Entradas Sistema Salidas

35 Salidas Entradas Sistema Salidas

36 Modelo del sistema Entradas Sistema Salidas

37 Diagrama de bloques u(t) r(t) X(t) sistema y(t) u, entradas controlables r, entradas no controlables x, estado y, variables observadas o salidas t, es el tiempo.

38 Ecuación de transición x& = f ( x, u, r, t) y = g ( x, u, r, t) u, entradas controlables r, entradas no controlables x, estado y, variables observadas o salidas t, es el tiempo.

39 Integración ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ,,,,,, t t r t u t x g t y dt t r u x f t x dt x t x t x t t t t t t t t = + = + = = = = = &

40 Operación del sistema. r(t) u(t) X(t) sistema y(t) Operador

41 Ejemplo SIN ESTADO P Diesel Gen q P =η. pci. q

42 Ejemplo CON ESTADO q aporte q vertido V qturbinado P h

43 Ecuaciones del ejemplo. t V = q aporte q turbinado q vertido sujeto a : 0 V V máx P = h ρ g η q turbinado

44 Horizonte de tiempo t_inicial t_final

45 Paso de simulación Paso 1 Paso k (t) Horizonte t_inicial t_final

46 Aleatoriedad y Crónicas. Fuentes de aleatoriedad. Resultados probabilísticos. Escenarios. // Consideración de los procesos estocásticos. Crónicas históricas. Identificación de procesos estocásticos y generación de sintetizadores.

47 Costo de Operación. Combustibles + Falla + Importaciones - Exportaciones Del paso Del Horizonte De una crónica = realización de los procesos estocásticos. De un escenario Probabilidades de excedencia.

48 Costo Futuro = CF CF k j= = ( ) j k cc j + cd j + ci j ie j q j= k cc = costo de combustible cd = costo de déficit ci = costo de importaciones ie = ingresos por exportaciones q = factor de depreciación del dinero

49 Costo de suministro de la demanda eléctrica Uruguay 2008 Costo incurrido CN Prom Pe10.0% Pe30.0% Pe70.0% Pe90.0% /01/ /01/ /01/ /02/ /02/ /03/ /03/ /04/ /04/ /05/ /05/ /06/ /06/ /07/ /07/ /07/ /08/ /08/ /09/ /09/ /10/ /10/ /11/ /11/ /12/ /12/ /12/2008 [M USD]

50 Integración de la ecuación de estados X t0 t1 t

51 Método de Euler ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ,,,, t t u t x g t y t t t u x f t x t x = + =

52 Ejemplo dx/dt=-0.5x+1 x(0)= 0; t >= 0

53 Euler, dt=0.1 x t x ; dt=0.1 2(1-exp(-0.5.t))

54 Euler, dt=0.4 x t x ; dt=0.4 2(1-exp(-0.5.t))

55 Euler, dt=1 x t x ; dt=1 2(1-exp(-0.5.t))

56 Euler, dt=2 x t x ; dt=2 2(1-exp(-0.5.t))

57 Euler, dt=3 x t x ; dt=3 2(1-exp(-0.5.t))

58 Euler, dt=4 x t x ; dt=4 2(1-exp(-0.5.t))

59 Euler, dt=5 x t x ; dt=5 2(1-exp(-0.5.t))

60 Amortiguamiento de errores Los errores numéricos pueden ser vistos como entradas al algoritmo de integración. Si una entrada espuria no se amortigua en el tiempo, los errores se acumulan y además de tener un error permanente seguramente tendremos DESBORDE NUMÉRICO en el cálculo.

61 Precisión-Estabilidad vs. Velocidad

62 El Sistema de Energía Eléctrica Arco A Nodo 1 Arco B Nodo 2 G1 D1 G2 D2

63 Costo Futuro CF = t= ahora centrales cc ( t) + cd( t) + ci( t) deficit importaciones exp ortaciones ie( t) dt CF= Costo Futuro cc = costo de combustible cd = costo de déficit ci = costo de importaciones ie = ingresos por exportaciones

64 C1, 80MW, 110USD/MWh C2, 110MW, 200USD/MWh Falla, 400USD/MWh Ejemplo de despacho Despacho diario demanda de 200MW de pico MW por central F C2 C hora

65 Política de uso de los recursos Minimizar el costo del PASO actual. Minimizar el COSTO FUTURO. Valorización de los recursos de acuerdo a la variación que producen en el COSTO FUTURO.

66 Bandas Horarias Poste= Patamar= Banda 160,00 de una semana con detalle horario Demanda 7 días 140,00 120,00 100,00 MW 80,00 60,00 40,00 20,00 0, hora del día

67 Monótona de Carga 160 Monotona de carga de una semana Demanda 7 días MW B1 B2 B horas reagrupadas

68 Resolución por Postes Resolvemos el despacho para cada poste considerando la potencia media de la demanda en el poste, en las ecuaciones de balance de potencia de los nodos. Para el cálculo de costos tenemos en cuenta la duración de cada poste.

69 Desorden del tiempo Demanda 7 días

70 Energía y Potencia E = p ( t) dt

71 E y P como productos Potencia => capacidad de generación y transmisión. Energía => costos de generación. Se pueden comercializar por separado o no dependiendo de la organización del mercado.

72 Aleatoriedad y Crónicas. Fuentes de aleatoriedad. Resultados probabilísticos. Escenarios. Crónicas históricas. Identificación de sistemas. Generación de escenarios sintéticos.

73 Costo de Operación. Del paso Del Horizonte De una crónica De un escenario Del conjunto de escenarios Es una variable más, pero casi siempre es el objetivo.

74 Despacho y Restricciones de Nodo P1 P2 P3 Nodo Pk-2 Pk-1 Pk mínimizar ( PG ) dt sujeto a : PG PD = 0 k k c k k h k h

75 Modelo de Central Térmica simple. $/h cv Pmáx [MW] Costo variable = cv. [$/MWh]

76 Déficit o Falla Escalón 1 Escalón 2 Escalón 3 Escalón 4 0 a 5% 5 a 12.5% 12.5 a 20% más de 20% escf [pu] cvf [USD/MWh]

77 Despacho en el Paso de Tiempo costo = j= NPOSTES j= 1 i= NG P cv durpos + h= ND i= NF cvf durpos i, j i, j j h, i, j h, i, j j = = i 1 i 1 h= 1 h F Sujeto al cumplimiento de las restricciones de nodo en cada poste.

78 Central Térmica con Mínimo Técnico. USD/h Cmin Pmin Pmax P C = ( Cmín + cv ( Pj Pmín ) NPostes j= 1 Durpos j

79 Central con varias unidades USD/h Cmin Pmin Pmax 2*Pmax 3*Pmax C j ( ) = NPostes P ( Cmin A j cv ( Pj Pmín A j ) Durpos j = j=1

80 FIN