Optimización del sistema électrico de centrales de generación híbridas

Abstract

[ES] Las centrales eléctricas híbridas se basan en la combinación de diferentes fuentes de energía como la eólica y la solar. Con la constante disminución del coste de las fuentes de energía renovables, las plantas de generación híbridas están demostrando ser una tecnología energética prometedora. El beneficio de esta solución emergente reside en el aumento de la controlabilidad y la previsibilidad que proporcionan, junto con el mayor factor de capacidad, el aumento de la disponibilidad y la posibilidad de contribuir en la prestación de servicios auxiliares. También resulta interesante la integración de algún tipo de almacenamiento de energía para mejorar aún más los beneficios y reducir aún más las fluctuaciones características de las Energías Renovables. Además, en lo que respecta al propietario de la planta, esta alternativa le permite desarrollar economías de gama en términos de coste capital y coste de operación, aprovechamiento del suelo, infraestructura eléctrica, entre otros.

El presente proyecto tiene como objetivo diseñar el sistema eléctrico óptimo para una plant híbrida que integra energía eólica terrestre, solar y baterías. El propósito es ahorrar en coste a la vez que aumenta la utilización de la infraestructura eléctrica. El primer enfoque será considerar una topología acoplada a CA y, posteriormente, estudiar y analizar un escenario con conexión CC. Para el caso base, las turbinas eólicas se conectarán entre sí, independientemente de los paneles fotovoltaicos y las baterías que igualmente estarán enlazados entre sí. A continuación, los tres puntos de conexión se acoplarán a un único punto común de la red. El hecho de compartir la infraestructura eléctrica puede suponer un ahorro significativo durante la fase de inversión inicial. a expensas del sobredimensionamiento de algunos componentes como los transformadores, inversores y cables.

Para el desarrollo del proyecto, se construirá un modelo de optimización definiendo la función objetivo, las variables de decisión y las restricciones del problema. Posteriormente, este modelo se implementará en Python y será resuelto usando el optimizador BC en CPLEX. Varias combinaciones y posibilidades de conexión serán estudiadas y realizadas con el fin de encontrar la solución óptima. Finalmente, se llevará a cabo un análisis de sensibilidad para cada escenario seleccionado.

[EN] Hybrid Power Plants (HPPs) are based on the combination of different energy sources such as wind and solar. With the constant decrease of cost of renewable energy sources, HPPs are proving to be a promising energy technology. The benefit of this emergent solution resides in the increase in controllability and predictability they provide, along with the greater capacity factor, the increase in availability and the possibility to contribute in the supply of ancillary services. It is also interesting to integrate some energy storage technology to further enhance the benefits and reduce even more the characteristic fluctuations of Renewable energy sources (RES). Moreover, with regard to the plant owner, this alternative allows them to develop economies of scope in terms of capital and operational costs, land usage, electrical infrastructure, among others.

The present project aims to design the optimal electrical collection system for a HPP which integrates onshore wind, solar and batteries. The purpose is to save costs while increasing the electrical infrastructure utilization. The first approach will be to consider an AC coupled HPP topology and later, study and analyse an scenario with DC connection. For the base case, the wind turbines will be connected together, independently from the photovoltaic panels and batteries which will likewise be linked between each other. The three connection points will be then coupled to a unique common point to the grid. Sharing the electrical infrastructure can lead to significant savings during the initial investment phase, at the expense of the oversizing of some components such as transformers and cables.

For this purpose, an optimization model will be built by defining the objective function and the constraints to the problem. Later, this model will be implemented in Python and solved using the BC solver in CPLEX. Several combinations and connection possibilities will be studied and performed in order to find the best optimal solution. Finally, for the different HPP layouts, a sensitivity analysis will be carried out.