Problema de comprometimento da unidade na produção de energia elétrica - Unit commitment problem in electrical power production

O problema de comprometimento de unidade ( UC ) na produção de energia elétrica é uma grande família de problemas de otimização matemática onde a produção de um conjunto de geradores elétricos é coordenada a fim de atingir algum objetivo comum, geralmente combinando a demanda de energia a um custo mínimo ou maximizando a receita da produção de eletricidade. Isso é necessário porque é difícil armazenar energia elétrica em uma escala comparável ao consumo normal; portanto, cada variação (substancial) no consumo deve ser acompanhada por uma variação correspondente da produção.

Coordenar unidades de geração é uma tarefa difícil por uma série de razões:

  • o número de unidades pode ser grande (centenas ou milhares);
  • existem vários tipos de unidades , com custos de produção de energia significativamente diferentes e restrições sobre como a energia pode ser produzida;
  • a geração é distribuída por uma vasta área geográfica (por exemplo, um país) e, portanto, a resposta da rede elétrica , ela própria um sistema altamente complexo, deve ser levada em consideração: mesmo que os níveis de produção de todas as unidades sejam conhecidos, verificando se a carga pode ser sustentada e quais são as perdas requer cálculos de fluxo de potência altamente complexos .

Como os detalhes relevantes do sistema elétrico variam muito em todo o mundo, existem muitas variantes do problema de UC, que geralmente são muito difíceis de resolver. Isso também porque, como algumas unidades exigem muito tempo (muitas horas) para iniciar ou desligar, as decisões precisam ser tomadas com bastante antecedência (geralmente, no dia anterior), o que implica que esses problemas devem ser resolvidos dentro de limites de tempo apertados (vários minutos a algumas horas). UC é, portanto, um dos problemas fundamentais na gestão e simulação de sistemas de energia . Foi estudado por muitos anos e ainda é um dos problemas de otimização de energia mais significativos. Pesquisas recentes sobre o assunto contam com centenas de artigos científicos dedicados ao problema. Além disso, vários produtos comerciais são compostos por módulos específicos para a resolução de UC, ou mesmo inteiramente dedicados à sua solução.

Elementos de problemas de comprometimento de unidade

Existem muitos problemas de UC diferentes, já que o sistema elétrico é estruturado e administrado de maneira diferente em todo o mundo. Os elementos comuns são:

  • Um horizonte de tempo ao longo do qual as decisões devem ser tomadas, amostrado em um número finito de instantes de tempo . Isso geralmente é um ou dois dias, até uma semana, onde os instantes são geralmente horas ou meia hora; com menos frequência, 15 ou 5 minutos. Portanto, os instantes de tempo são normalmente entre 24 e cerca de 2.000.
  • Um conjunto de unidades geradoras com os correspondentes custos de produção de energia e / ou curvas de emissão e restrições técnicas (complexas).
  • Uma representação da parte significativa da rede da rede .
  • Um perfil de carga (prevista) a ser satisfeita, ou seja, a quantidade líquida de energia a ser entregue a cada nó da rede em cada instante de tempo.
  • Possivelmente, um conjunto de restrições de confiabilidade garantindo que a demanda seja atendida mesmo que alguns eventos imprevistos ocorram.
  • Possivelmente, condições financeiras e / ou regulatórias (receitas de energia, restrições ao funcionamento do mercado, instrumentos financeiros, ...).

As decisões que devem ser tomadas geralmente incluem:

  • decisões de compromisso : se uma unidade está produzindo energia em qualquer instante de tempo;
  • decisões de produção : quanta energia uma unidade está produzindo em qualquer instante de tempo;
  • decisões de rede : quanta energia está fluindo (e em qual direção) em cada ramal da rede de transmissão e / ou distribuição em um dado instante de tempo.

Embora os recursos acima geralmente estejam presentes, há muitas combinações e muitos casos diferentes. Entre estes, mencionamos:

  • se as unidades e a rede são todas administradas por um Operador Monopolístico (MO), ou um Operador do Sistema de Transmissão (TSO) separado gerencia a rede fornecendo acesso justo e não discriminatório às Empresas Geradoras (GenCos) que competem para satisfazer a produção no ( ou, na maioria das vezes, vários mercados de energia interligados ;
  • os diferentes tipos de unidades de produção de energia , tais como térmicas / nucleares, hidroelétricas e fontes renováveis ​​(eólica, solar, ...);
  • quais unidades podem ser moduladas , ou seja, sua energia produzida pode ser decidida pelo operador (embora sujeita às restrições técnicas da unidade), ao invés de ser inteiramente ditada por fatores externos, como as condições meteorológicas;
  • o nível de detalhe no qual o funcionamento da rede elétrica deve ser considerado, variando desde basicamente ignorá-lo até considerar a possibilidade de abrir (interromper) uma linha dinamicamente para alterar de forma otimizada o roteamento de energia na rede.

Objetivos de gestão

Os objetivos da UC dependem dos objetivos do ator para o qual se destina. Para um MO, isso é basicamente para minimizar os custos de produção de energia enquanto satisfaz a demanda; confiabilidade e emissões são geralmente tratadas como restrições. Em um regime de mercado livre, o objetivo é antes maximizar os lucros da produção de energia , ou seja, a diferença entre as receitas (devido à venda de energia) e os custos (devido à sua produção). Se o GenCo for formador de preços , ou seja, possui tamanho suficiente para influenciar os preços de mercado, pode, em princípio, realizar licitações estratégicas para melhorar seus lucros. Isso significa licitar sua produção a alto custo para elevar os preços de mercado, perdendo market share, mas retendo parte porque, essencialmente, não há capacidade de geração suficiente. Para algumas regiões, isso pode ser devido ao fato de que não há capacidade de rede da rede suficiente para importar energia de regiões próximas com capacidade de geração disponível. Embora os mercados elétricos sejam altamente regulamentados para, entre outras coisas, descartar tal comportamento, os grandes produtores ainda podem se beneficiar da otimização simultânea dos lances de todas as suas unidades para levar em conta seu efeito combinado sobre os preços de mercado. Pelo contrário, os tomadores de preços podem simplesmente otimizar cada gerador de forma independente, uma vez que, não tendo um impacto significativo nos preços, as decisões correspondentes não são correlacionadas.

Tipos de unidades de produção

No contexto de UC, as unidades geradoras são geralmente classificadas como:

  • Unidades térmicas , que incluem as nucleares , que queimam algum tipo de combustível para produzir eletricidade. Eles estão sujeitos a inúmeras restrições técnicas complexas, entre as quais mencionamos o tempo mínimo de aumento / redução , taxa de aumento / redução da taxa , modulação / estabilidade (uma unidade não pode alterar seu nível de produção muitas vezes) e rampa de inicialização / desligamento taxa (ao iniciar / parar, uma unidade deve seguir uma curva de potência específica que pode depender de quanto tempo a planta está offline / online). Portanto, otimizar até mesmo uma única unidade já é, em princípio, um problema complexo que requer técnicas específicas.
  • As unidades hidrelétricas , que geram energia por meio do aproveitamento da energia potencial da água, costumam ser organizadas em sistemas de reservatórios conectados, chamados de vales hidrelétricos . Como a água liberada por um reservatório a montante atinge o reservatório a jusante (após algum tempo) e, portanto, torna-se disponível para gerar energia lá, as decisões sobre a produção ideal devem ser tomadas para todas as unidades simultaneamente, o que torna o problema bastante difícil mesmo que não (ou pouco) a produção térmica está envolvida, ainda mais se for considerado o sistema elétrico completo. As unidades hidrelétricas podem incluir unidades de armazenamento bombeado , onde a energia pode ser gasta para bombear água morro acima. Esta é a única tecnologia atual capaz de armazenar energia (potencial) suficiente para ser significativa no nível típico do problema de UC. As unidades hidroelétricas estão sujeitas a restrições técnicas complexas. A quantidade de energia gerada pela turbinação de alguma quantidade de água não é constante, mas depende da carga d' água que, por sua vez, depende de decisões anteriores. A relação é não linear e não convexa, tornando o problema particularmente difícil de resolver.
  • Unidades de geração renovável, como parques eólicos , solares , unidades hidrelétricas a fio de água (sem reservatório dedicado e, portanto, cuja produção é ditada pela água corrente) e unidades geotérmicas . A maioria deles não pode ser modulada , e vários também são intermitentes , ou seja, sua produção é difícil de prever com precisão com antecedência. Na UC, essas unidades não correspondem realmente às decisões, uma vez que não podem ser influenciadas. Em vez disso, sua produção é considerada fixa e adicionada à das outras fontes. O aumento substancial da geração renovável intermitente nos últimos anos aumentou significativamente a incerteza na carga líquida (demanda menos a produção que não pode ser modulada), o que desafiou a visão tradicional de que a carga prevista em UC é precisa o suficiente.

Modelos de grade elétrica

Existem três maneiras diferentes em que a rede de energia é representada dentro de uma UC:

  • Na aproximação de ônibus único, a grade é ignorada: a demanda é considerada satisfeita sempre que a produção total é igual à demanda total, independentemente de sua localização geográfica.
  • Na aproximação DC, apenas a lei atual de Kirchhoff é modelada; isto corresponde ao fluxo de potência reativa sendo desprezado, as diferenças dos ângulos de tensão sendo consideradas pequenas e o perfil de tensão do ângulo sendo assumido constante;
  • No modelo AC completo, as leis de Kirchhoff completas são usadas: isso resulta em restrições altamente não lineares e não convexas no modelo.

Quando o modelo AC completo é usado, o UC realmente incorpora o problema de fluxo de potência ideal , que já é um problema não-linear não convexo.

Recentemente, a visão tradicional "passiva" da grade de energia em UC foi desafiada. Em uma rede elétrica fixa, as correntes não podem ser roteadas, sendo seu comportamento inteiramente ditado pela injeção de energia nodal: a única maneira de modificar a carga da rede é, portanto, alterando a demanda ou produção nodal, para a qual há escopo limitado. No entanto, uma consequência um tanto contra-intuitiva das leis de Kirchhoff é que interromper uma linha (talvez até mesmo uma congestionada) causa um redirecionamento global da energia elétrica e pode, portanto, melhorar o desempenho da rede. Isso levou à definição do problema de Comutação de Transmissão Ótima , em que algumas das linhas da grade podem ser abertas e fechadas dinamicamente ao longo do horizonte de tempo. Incorporar esse recurso no problema de UC torna-o difícil de ser resolvido mesmo com a aproximação DC, ainda mais com o modelo AC completo.

Incerteza nos problemas de comprometimento da unidade

Uma consequência preocupante do fato de que as UCs ​​precisam ser resolvidas com bastante antecedência em relação às operações reais é que o estado futuro do sistema não é conhecido exatamente e, portanto, precisa ser estimado. Isso costumava ser um problema relativamente menor quando a incerteza no sistema era devida apenas à variação da demanda dos usuários, que no agregado pode ser prevista de forma bastante eficaz, e à ocorrência de falhas de linhas ou geradores, que podem ser tratadas por regras bem estabelecidas ( reserva giratória ). No entanto, nos últimos anos, a produção de fontes de produção renováveis ​​intermitentes aumentou significativamente. Isso, por sua vez, aumentou muito significativamente o impacto da incerteza no sistema, de modo que ignorá-la (como tradicionalmente feito por meio de estimativas pontuais médias) traz riscos de aumentos de custos significativos. Isso fez com que fosse necessário recorrer a técnicas de modelagem matemática apropriadas para levar em conta a incerteza, tais como:

A combinação das (já, muitas) formas tradicionais de problemas de UC com as várias (antigas e) novas formas de incerteza dá origem à família ainda maior de problemas de Compromisso de Unidade Incerta (UUC), que estão atualmente na fronteira de pesquisa metodológica.

Modelos Integrados de Transmissão e Distribuição

Um dos principais problemas com o problema de comprometimento da unidade em tempo real é o fato de que a demanda de eletricidade da rede de transmissão é geralmente tratada como um "ponto de carga" em cada sistema de distribuição . A realidade, entretanto, é que cada ponto de carga é uma rede de distribuição complexa com suas próprias subcargas, geradores e DERs . A simplificação de uma distribuição em pontos de carga pode levar a problemas operacionais extremos de toda a rede elétrica. Tais problemas incluem alta pressão no sistema de transmissão de energia e fluxo reverso de energia dos sistemas de distribuição para o sistema de transmissão de energia. Uma abordagem recentemente buscada para resolver com mais eficácia o problema de comprometimento da unidade nasce, portanto, pelos Sistemas Integrados de Transmissão e Distribuição. Em tais modelos, o problema de comprometimento da unidade dos Sistemas de Transmissão é geralmente combinado com o Problema de Gerenciamento de Renováveis ​​dos Sistemas de Distribuição por meio de ferramentas de programação de dois níveis.

Veja também

Referências

links externos

  • Uma descrição do papel dos problemas de comprometimento da unidade no contexto geral do gerenciamento do sistema de energia pode ser encontrada no Wiki de Otimização de Energia desenvolvido pelo projeto COST TD1207.