Desarrollo de una formulación MILP para resolver problemas de operación con horizonte de largo plazo utilizando un modelo reducido del Sistema Eléctrico Nacional

Abstract

Este estudio, realizado en el marco del proyecto FONDEF “Desarrollo de una plataforma de información interactiva –ecoEnergy3e– basada en un modelo IO híbrido de equilibrio (IO-HE) del sector eléctricopara la evaluación del impacto de transformaciones en la matriz energética”, aborda la formulación de un modelo de programación lineal entera-mixta (MILP) aplicado a la operación del Sistema Eléctrico Nacional (SEN) en Chile. Utilizando como base la planificación energética de largo plazo (PELP), desarrollado por el Ministerio de Energía de Chile, se desarrolla inicialmente una formulación MILP que incorpora todos los elementos modelados por la PELP. El modelo propuesto permite realizar simulaciones para comparar los resultados obtenidos con la PELP y validar su precisión. El principal desafío abordado en esta memoria es la optimización de los tiempos de simulación sin comprometer significativamente la precisión. Para ello, se propone una formulación reducida que simplifica tanto el modelo como el número de elementos considerados en la optimización. Esta reducción ha demostrado ser efectiva, logrando una considerable disminución en los tiempos de simulación, lo cual es crucial para la evaluación rápida de múltiples escenarios energéticos en contextos de planificación y toma de decisiones. Los resultados obtenidos muestran que, si bien existen algunas diferencias en comparación con la PELP, estas se deben en gran medida a la distinta naturaleza de los modelos: la PELP resuelve un problema lineal, mientras que el modelo MILP formulado introduce variables binarias para el Unit Commitment. Sin embargo, la pérdida de precisión es mínima en comparación con la ganancia en eficiencia computacional, lo que valida la utilidad del modelo reducido como una aproximación rápida para la simulación de largo plazo del SEN. Este estudio no solo contribuye al avance del proyecto FONDEF, sino que también establece una metodología robusta para futuras investigaciones en simulación y optimización de sistemas eléctricos. Además, el programa de simulación desarrollado estará disponible en una plataforma interactiva, permitiendo a los usuarios realizar análisis de sensibilidad sobre diversas variables críticas y personalizar las bases de datos para correr simulaciones adaptadas a sus necesidades. This study, conducted within the framework of the FONDEF project “Development of an interactive information platform—ecoEnergy3e—based on a hybrid input–output equilibrium (IO–HE) model of the power sector for assessing the impact of transformations in the energy mix,” addresses the formulation of a mixed-integer linear programming (MILP) model for the long-term operation of the Chilean National Electric System (SEN). Building upon the Long-Term Energy Planning (PELP) process developed by Chile’s Ministry of Energy, an initial MILP formulation is developed that captures all the elements represented in PELP. The proposed model enables long-term simulations of SEN operation under PELP assumptions, with the aim of providing a platform that anticipates the system’s future performance. To demonstrate its representativeness, the model is first validated against PELP results. The main challenge tackled in this thesis is to shorten simulation times without significantly compromising accuracy. To this end, a reduction criterion is introduced that streamlines both the formulation and the number of decision elements. This approach has proved effective, achieving a substantial reduction in computation time—an essential feature for the rapid evaluation of multiple energy scenarios in planning and decision-making contexts. The results show that the reduced formulation attains markedly shorter simulation times while maintaining high fidelity, making it a nimble tool for prospective analysis of the SEN. The differences observed relative to PELP arise mainly because PELP solves a strictly linear optimisation problem, whereas the present study adopts a MILP formulation that introduces binary variables for Unit Commitment. This choice explicitly represents the start-up and shut-down states of thermal units, includes start-up and shut-down costs, respects minimum generation levels, accounts for ramp constraints, and reflects availability restrictions, thereby providing a more realistic depiction of the dispatch. Despite these structural differences, the divergence in outcomes remains minor compared with the computational gains, validating the model’s usefulness as a fast and robust approximation for long-term SEN simulations. Beyond contributing to the progress of the FONDEF project, this study also establishes a robust methodology for future research in power-system simulation and optimisation. Moreover, the developed simulation program will be deployed on an interactive platform, enabling users to perform sensitivity analyses on key variables and tailor databases to run simulations aligned with their specific needs.