Márgenes de funcionamiento en los sistemas de energía eléctrica : cálculo y acciones para su mejora

Abstract

Esta tesis doctoral aborda el problema del cálculo y mejora de márgenes de funcionamiento en sistemas de energía eléctrica en régimen permanente. En el análisis estático o de régimen permanente de los sistemas físicos en general, y de los sistemas de energía eléctrica en particular, se define como margen de funcionamiento a la distancia que separa al sistema desde un punto inicial de operación hasta un punto de funcionamiento límite. Atendiendo a esta definición, son muchos los márgenes de funcionamiento en los sistemas de energía eléctrica que se pueden definir. La presente tesis doctoral se concentra en cuatro de los más importantes: el margen a la factibilidad de las ecuaciones de flujo de cargas en caso base, el margen a la factibilidad de las ecuaciones de flujo de cargas bajo hipótesis de contingencia, el margen a la inestabilidad de tensiones y la capacidad de transferencia de energía entre sistemas interconectados. En la presente tesis se ha puesto de manifiesto que los cuatro márgenes de funcionamiento considerados presentan una definición matemática genérica similar, a pesar de su naturaleza y su propósito diferentes. Esta definición genérica está basada en un problema de optimización no lineal. La diferencia existente entre ellos tan solo radica en considerar unas ecuaciones u otras en la definición de la frontera de factibilidad de dicho problema de optimización. Basadas en esta definición, en esta tesis se ha desarrollado una novedosa metodología genérica para el cálculo de los márgenes y otra novedosa metodología genérica para su mejora empleando acciones de control. En el caso de la metodología de cálculo de márgenes de funcionamiento, se han empleado tanto técnicas de continuación como técnicas de optimización, con la idea de poder combinar la robustez que proporcionan las técnicas de continuación con la precisión y las sensibilidades obtenidas mediante las técnicas de optimización. Se ha incluido un método basado en mínimos cuadrados para estimar multiplicadores de Lagrange, y que sirve de puente entre las técnicas de continuación y las técnicas de optimización en el caso particular de que el óptimo se encuentre en la bifurcación silla-nodo de las ecuaciones de estado del sistema. En el caso de la metodología de mejora de márgenes de funcionamiento, se ha empleado programación lineal secuencial. De este modo, cada etapa de dicha metodología define un problema de programación lineal que determina el movimiento óptimo de los elementos de control considerados para la mejora del margen que se esté estudiando. Dicho problema de optimización lineal emplea sensibilidades de primer orden obtenidas a partir de los multiplicadores de Lagrange obtenidos en el proceso de cálculo del margen de funcionamiento considerado. La tesis presenta resultados numéricos de la aplicación de los modelos desarrollados en esta tesis a casos reales del sistema eléctrico peninsular español. Los resultados presentados corresponden tanto al cálculo de los márgenes de funcionamiento considerados en esta tesis como a su mejora mediante el empleo de los elementos de control del sistema. Los ejemplos propuestos en esta tesis responden a problemas reales que se dan en la operación del sistema eléctrico peninsular español, lo que demuestra la gran variedad de aplicaciones en las que se pueden emplear los novedosos algoritmos genéricos propuestos en esta tesis.