Optimal security-constrained model for the integrated power and natural-gas system

Abstract

El aumento en la instalación de unidades de generación térmica a gas ha originado una creciente dependencia del gas natural como principal combustible para la generación de electricidad, y por lo tanto, un mayor nivel de integración entre las redes de transporte. Estas condiciones han afectado el nivel de confiabilidad de los sistemas de potencia porque interrupciones del suministro de gas natural pueden llevar a una pérdida de varios generadores eléctricos. Por otra parte, la operación de los sistemas de gas esta enfrentando consumos cada vez más volátiles y difíciles de pronosticar ya que las unidades de generación térmica a gas están siendo despachadas como reservas operativas para respaldar la generación renovable intermitente, desviaciones de demanda y/o contingencias en la red de transporte. Aunque se han desarrollado varios modelos para el estudio de la confiabilidad del sistema eléctrico, hay pocos aportes en cuanto a la consideración de las limitaciones de la red de transporte del gas natural en el proceso de decisión y con respecto a la confiabilidad de los sistemas de gas. Dado el alto nivel de interdependencia entre el gas y la electricidad, estudios de seguridad del sistema eléctrico que no incluyan restricciones en la red de gas pueden sobrestimar la capacidad de suministro del combustible necesario para cumplir con los requisitos del sistema de potencia en condiciones normales y ante contingencias. Además, la falta de análisis de confiabilidad en las redes de gas es un riesgo potencial para el funcionamiento de ambas infraestructuras energéticas. El nivel actual de integración entre esos sistemas ha llevado a que la confiabilidad de un sistema depende no sólo de sus propios componentes sino también de la confiabilidad del otro sistema. En consecuencia, esta tesis tiene como objetivo desarrollar un método para llevar a cabo análisis preventivos de seguridad del sistema integrado gas-electricidad en el corto plazo. Para ello, esta investigación detalla primero cómo modelar y resolver con eficiencia y precisión la operación a corto plazo de las redes de gas y electricidad de forma independiente. Después, se proponen diferentes métodos para integrar estos sistemas de energía con el fin de evaluar la confiabilidad de la red, de forma tal que se conserven niveles adecuados de suministro de energía y seguridad. La seguridad de la red integrada se estudia mediante la inclusión de contingencias de la red de transmisión de ambos sistemas en el problema de optimización, y el suministro de energía se estudia mediante el modelado de la dinámica del gas (velocidad de desplazamiento y compresibilidad). Los resultados obtenidos muestran cómo la continuidad del suministro de energía y las condiciones de la red de transporte de gas natural son fundamentales para la seguridad y la confiabilidad de la generación de energía eléctrica.

The increment of gas-fired units has resulted in a growing dependence on natural gas as a primary fuel for electricity generation and thus a higher level of integration between power and gas networks. On the one hand, the reliability of power systems has been affected since interruptions in the fuel supply may lead to a loss of multiple electric generators. On the other hand, gas systems are facing higher volatile and difficult to forecast demands, especially because gas-fired units are being dispatched as operating reserves to back up intermittent renewable generation, demand deviations, and/or contingencies. Although several models have been developed for studying the power system reliability, there are few contributions regarding the consideration of gas network constraints into the decision process and with respect to the reliability of gas systems. Given the high level of interdependence between energy sectors, power system security studies that do not include gas network constraints could overestimate the fuel delivery capability required to fulfill power system requirements in normal and disturbed conditions. Furthermore, the lack of reliability analysis in gas networks is a potential risk to the operation of both energy infrastructures. The current level of integration implies that the reliability of one system depends not only on its own components but also on the reliability of the other system. As a result, this thesis aims to develop a method to perform preventive security analyses of an integrated power and natural gas system in the short-term operation. In order to do so, this research first details how to model and solve efficiently and accurately the short-term operation of gas and power networks independently. Afterwards, different methods are proposed to integrate those energy systems in order assess the reliability of the coupled network in such a way that adequate levels of adequacy and security are preserved. The security of the integrated grid is accomplished by including transmission network contingencies from both systems in the optimization problem, and the energy adequacy is studied by modeling the gas dynamic (travel velocity and compressibility). Obtained results show how the supply adequacy of the natural gas transmission network is critical to the security and feasibility of electric power generation.