Improving Modelling for Optimal Expansion Planning of Power Transmission Systems

Abstract

La transición a una economía sin emisiones de CO2 exige avances significativos en el diseño y funcionamiento de los sistemas eléctricos. A medida que se van retirando las centrales eléctricas de combustibles fósiles en favor de las fuentes de energía renovables, el sector se enfrenta a retos acuciantes para mantener la estabilidad y la fiabilidad de la red y, al mismo tiempo, minimizar el impacto ambiental y los costes. Los métodos tradicionales de planificación de la expansión del transporte, que a menudo se basan en técnicas de descomposición que apenas representan el funcionamiento futuro de los sistemas eléctricos, no logran captar las complejas interdependencias entre las infraestructuras de generación, transmisión y distribución, lo que da lugar a estrategias de expansión poco idóneas. En lugar de introducir un modelo amplio y a gran escala, esta tesis describe un enfoque refinado de la planificación de la expansión de la transmisión que pretende mejorar el rendimiento del modelo y garantizar su solidez y escalabilidad, al tiempo que incorpora cuidadosamente elementos de flexibilidad distribuida y centralizada. La novedad de este trabajo radica no sólo en el alcance del modelado de la flexibilidad, sino también en la forma meticulosa en que estos componentes se entretejen en la planificación de la expansión del sistema eléctrico. La investigación se basa en tres objetivos fundamentales: la formulación de métodos avanzados de optimización diseñados para abordar eficazmente cuestiones complejas en diferentes configuraciones del sistema y escenarios operativos; la cuidadosa integración de la flexibilidad distribuida y centralizada, destacando la importancia de los recursos energéticos distribuidos e integrando almacenamientos de gran tamaño en el marco de la planificación; y la creación de modelos duraderos y escalables que puedan servir como anteproyectos a prueba de futuro para el desarrollo del sistema. Con estos objetivos, la tesis pretende contribuir de forma significativa al desarrollo de sistemas energéticos más eficientes, resistentes y sostenibles. A través de un modelado y un análisis minuciosos, se pretende ofrecer ideas y recomendaciones prácticas para optimizar el desarrollo de los sistemas de transporte en el marco de la transición hacia una economía con bajas emisiones de CO2, subrayando la importancia de la innovación específica para abordar los retos cambiantes a los que se enfrenta el sector.The transition to a zero-carbon economy requires significant advances in the design and operation of power systems. As fossil fuel power plants are phased out in favour of renewable energy sources, the industry faces pressing challenges in maintaining grid stability and reliability while minimising environmental impacts and costs. Traditional transmission expansion planning methods, which often rely on decomposition techniques that barely represent the future operation of power systems, fail to capture the complex interdependencies between generation, transmission, and distribution infrastructure, resulting in less-than-ideal expansion strategies. Rather than introducing a broad, large-scale model, this thesis delineates a nuanced approach to transmission expansion planning that aims to improve model performance and ensure its robustness and scalability while thoughtfully incorporating elements of local and utility-scale flexibility. The novelty of this work lies not only in the scope of local and utility-scale flexibility modeling, but also in the meticulous manner in which these components are woven into power transmission system expansion planning. The research is underpinned by three core objectives: the formulation of advanced optimisation methods designed to efficiently address complex issues across different system configurations and operational scenarios; the careful merging of the representation of local and utility-scale flexibility - highlighting the importance of distributed energy resources (DERs) and integrating utility-scale storage solutions into the transmission planning framework; and the creation of durable, scalable models that can serve as future-proof blueprints for system development. By pursuing these goals, the thesis aims to contribute significantly to the development of more efficient, resilient, and sustainable power systems. Through careful modeling and analysis, it seeks to provide actionable insights and recommendations for optimising transmission system development amidst the low-carbon transition, underscoring the importance of targeted innovation in addressing the evolving challenges facing the sector.