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MODELO DE OPTIMIZACIN PARA LAS PLANTAS TRMICAS DE GENERACIN DE CICLO

COMBINADO EN EL DESPACHO ECONMICO

CARLOS MARIO CORREA POSADA

Director

Ph.D. Patricia Jaramillo lvarez

MAESTRA EN INGENIERA DE SISTEMAS

Universidad Nacional de Colombia

Sede Medelln

Febrero de 2009

RESUMEN

La elaboracin del despacho econmico de energa es un proceso crtico en tiempo de ejecucin que involucra una gran cantidad de variables, y se requiere de su elaboracin para el desarrollo de los mercados competitivos. Dentro de los modelos de optimizacin lineales que se han desarrollado para resolver el problema del despacho econmico, se cuenta con funciones objetivo que buscan minimizar el costo de operacin de los mercados de energa, los cuales se basan en costos de combustibles o en ofertas de precio y disponibilidad de generacin declarados por parte de los agentes generadores al Operador del Sistema, para atender un pronstico de demanda determinado. Los diferentes modelos cuentan con restricciones lineales que garantizan la seguridad, calidad y confiabilidad de los sistemas elctricos de potencia, arrojando programas de generacin ptimos y factibles para los recursos hidrulicos y trmicos a ciclo simple. Adems se han incorporado restricciones propias de los flujos de potencia para controlar los intercambios de energa activa a travs de todos los equipos de la red de transmisin y evitar sus sobrecargas en estado estacionario.

En este momento no se han realizado desarrollos matemticos completos que permitan introducir en los modelos de despacho econmico la optimizacin para las plantas de ciclo combinado, es por eso que en algunos lugares, como el caso colombiano, se han desarrollado macros en Excel con modelos particulares de cada planta, que garantizan mediante reglas clsicas de decisin la programacin factible de los recursos, pero que no aseguran una programacin ptima de stos. La implicacin que esto tiene en el despacho final es que no se refleje el menor costo de operacin del sistema, equivalente en unos casos al producto del precio de oferta por la generacin para todos los recursos despachados, y en otros a la sumatoria de los costos de combustibles utilizados.

Este trabajo presenta un modelo de optimizacin que utiliza tcnicas avanzadas de modelamiento matemtico para representar dentro del problema del despacho econmico de energa, las plantas trmicas de ciclo combinado y as involucrar dentro del mismo problema de decisin todos los recursos del sistema para garantizar una programacin con el menor costo de operacin. El modelo incorpora las principales caractersticas de las plantas de ciclo combinado que influyen en la programacin de la generacin, dentro de las cuales se destacan las que representan el comportamiento no lineal asociado a cambios de generacin entre un perodo y otro (rampas), las restricciones temporales que controlan el tiempo en lnea y fuera de lnea de las mquinas, y las restricciones necesarias para la prestacin del servicio de regulacin secundaria de frecuencia AGC. El modelo de optimizacin presentado garantiza una programacin ptima de la planta minimizando el nmero de unidades en lnea y el nmero de arranques programados, lo que representa el mayor reto para la optimizacin debido a las mltiples combinaciones de unidades de gas y de vapor que se pueden presentar para cumplir con el programa de generacin. Por ltimo se presentan ejemplos numricos donde se acopla el modelo de optimizacin del despacho colombiano con el modelo propuesto para las plantas de ciclo combinado, y se corroboran los resultados con los datos entregados por los programas actuales.

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a las siguientes personas:

A todo el personal de XM, Compaa de Expertos en Mercados, del Centro Nacional de Despacho y al equipo Despacho Econmico por todo el apoyo recibido durante esta experiencia laboral.

Al MSc. Oscar Mauricio Carreo por el apoyo brindado en el proceso de aprendizaje de la Investigacin de Operaciones y en la orientacin para la elaboracin de este trabajo.

A la profesora PhD. Patricia Jaramillo por su acompaamiento constante en la direccin de este proyecto de investigacin.

Al MSc. Luis Julian Zuluaga por su colaboracin en todo momento para facilitarme el tiempo y los recursos para elaborar este trabajo.

TABLA DE CONTENIDOS

LISTA DE TABLAS ....................................................................................................................... 6

LISTA DE FIGURAS...................................................................................................................... 8

LISTA DE FIGURAS...................................................................................................................... 8

1. INTRODUCCIN ............................................................................................................... 9

2. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA.....................................................................................14

2.1 EL MERCADO ELCTRICO COLOMBIANO................................................................. 15 2.2 EL PROBLEMA DEL DESPACHO ECONMICO ......................................................... 17 2.3 CLASES DE UNIDADES DE GENERACIN ................................................................ 19 2.3.1 OPTIMIZACIN PARA LAS PLANTAS HIDRULICAS ................................................................. 21 2.3.2 OPTIMIZACIN PARA LAS PLANTAS TRMICAS ..................................................................... 21 2.4 PLANTAS DE CICLO COMBINADO ........................................................................................ 25 2.5 PROGRAMACIN DE LAS PLANTAS DE CICLO COMBINADO EN EL DESPACHO DE ENERGA COLOMBIANO ........................................................................................................ 28

3. ESTADO DEL ARTE.........................................................................................................32

4. MODELO MATEMTICO..................................................................................................37

4.1 FUNCIN OBJETIVO ......................................................................................................... 40 4.2 RESTRICCIONES ASOCIADAS A LAS UNIDADES DE GENERACIN............................................ 42

Restriccin de Mximo y Mnimo: ......................................................................................... 42 Restriccin para controlar las variables binarias de Arranque y Parada:................................ 47 Algoritmo para determinar el Tiempo Mnimo en Lnea y Tiempo Mnimo Fuera de Lnea que hace falta segn las condiciones iniciales: ............................................................................ 48 Restriccin para determinar la parada segn las condiciones iniciales: ................................. 50 Restriccin para controlar tiempo mnimo en lnea:............................................................... 51 Restriccin para controlar tiempo mnimo fuera de lnea: ...................................................... 52 Restriccin para controlar el mximo nmero de arranques al da: ....................................... 53 Restriccin para controlar las rampas:.................................................................................. 54 1. Modelo 2 del Acuerdo 270 CNO.................................................................................... 54 2. Modelo 3 del Acuerdo 270 CNO.................................................................................... 57 3. Modelo DERA: Despacho Econmico con Rampas Automticas................................... 58

4.3 RESTRICCIONES ASOCIADAS AL CICLO COMBINADO ............................................................ 59 Restriccin para relacionar las unidades con el recurso: ....................................................... 59 Restriccin para calcular el consumo de servicios auxiliares:................................................ 60 Restriccin para calcular la generacin de los quemadores de gas adicionales: ................... 62 Restricciones para calcular la generacin de las unidades de vapor: .................................... 63 Restriccin de unidades para prestar el servicio de AGC: ..................................................... 65

4.4 OTRAS RESTRICCIONES ................................................................................................... 66 Restriccin para los perodos obligatorios:............................................................................ 66 Restriccin para las zonas de seguridad:.............................................................................. 67 Restriccin para el mximo y mnimo de los recursos: .......................................................... 68

5.1 DESPACHOS CON TODAS LAS UNIDADES DE VAPOR DISPONIBLES .......................................... 73 Despachos por seguridad..................................................................................................... 73 Despachos en mrito............................................................................................................ 80

5.2 DESPACHOS CON TODAS LAS UNIDADES DE VAPOR INDISPONIBLES ....................................... 83 Despachos por seguridad..................................................................................................... 84 Despachos en mrito............................................................................................................ 85

5.3 DESPACHOS CON UNA SOLA UNIDAD DE VAPOR INDISPONIBLE .............................................. 87 5.4 DESPACHOS PARA PRESTAR EL SERVICIO DE AGC ............................................................