Thesis ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DEL USO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA COMO ALTERNATIVA COMPLEMENTARIA A DECISIONES DE INVERSIÓN EN EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN
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Date
2018
Authors
GUERRERO SILVA, CÉSAR ANTONIO
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Abstract
En este trabajo se presenta un análisis sobre la factibilidad económica del uso de los sistemas dealmacenamiento de energía como alternativa complementaria a decisiones de inversión en el sistema detransmisión mediante mejoras en los factores de carga del sistema. En particular, se analiza la aplicación delos sistemas de almacenamiento como medida de postergación y disminución de inversiones en el sistema detransmisión, así como, hacer más eficiente el uso del sistema de transmisión.En primera instancia, para abordar el análisis, se plantean los sistemas de almacenamiento de energíadentro del problema de optimización asociado a la expansión de la red de transmisión, donde, a causa delacoplamiento temporal de los sistemas de almacenamiento y a diferencia del enfoque típico, se estableceuna representación cronológica para las variables y los datos de entrada, debiendo trabajar con días típicosrepresentativo para disminuir la densidad del problema. El modelo es planteado sobre un sistema de pruebasde cinco barras en 220kV, para el cual se realizan simulaciones para distintos escenarios. Dichos escenariosson construidos a partir de un escenario base, donde se sensibiliza en relación a la longitud de líneas detransmisión (o sus costos de inversión), los niveles de inserción de fuentes de energía solar y eólica, y lacoincidencia de los perfiles de generación eólica con la demanda. Luego, se observa y compara la expansiónóptima para cada caso.En una segunda etapa, se analiza la factibilidad del uso de los sistemas de almacenamiento en unmodelo simplificado del Sistema Eléctrico Nacional con enfoque en la optimización de la expansión delparque generador y de la red de transmisión del modelo a través del software PLEXOS y utilizando las basesde datos del Departamento de Planificación del Coordinador Eléctrico Nacional. Para la optimización delmodelo se utiliza una serie de escenarios con combinaciones de parámetros de entrada sujetos a incertidumbrede alto nivel.Los resultados del análisis sobre el sistema de pruebas indican que, para los escenarios consideradosy en aplicaciones asociadas a la postergación de inversiones en infraestructura de transmisión, la decisiónde inversión en sistemas de almacenamiento no está relacionada con los niveles de inserción de fuentes degeneración de ERNC, tampoco con la coincidencia de la demanda con sus perfiles, esto ocurre incluso alsuponer costos de inversión bajos para los sistemas de almacenamiento, principalmente, porque los ahorrosproducto de no verter y desplazar temporalmente dicha energía renovable no justificarían, económicamente,la incorporación de los sistemas de almacenamiento. Mientras que, al aumentar las longitudes de líneas detransmisión (pudiendo interpretarse como un aumento de los costos de inversión de las líneas de transmisióno una mezcla de ambos), los sistemas de almacenamiento sí pueden presentar un beneficio económico,reflejando que, a mayores distancias entre las fuentes de generación y los centros de consumo, mayor es elbeneficio de los sistemas de almacenamiento. Sin embargo, al utilizar costos referenciales de sistemas dealmacenamiento, los candidatos que presentan beneficios económicos son poco prácticos desde el punto devista de la cantidad de años que se posterga la inversión; mientras que, al utilizar costos de inversión bajos parasistemas de almacenamiento, el modelo llega a optar por incorporar sistemas que logran postergar la inversiónen líneas de transmisión más años, pero las condiciones en las que se aplican son poco usuales.Mientras que los resultados sobre el análisis en el sistema reducido del Sistema Eléctrico Nacionalindican que, bajo un enfoque de optimización de expansión de la red de transmisión y del parque generador,para determinados escenarios los sistemas de almacenamiento presentan beneficios económicos. En este casolos sistemas de almacenamiento aportan al mejoramiento del uso del sistema eléctrico y como complementofrente a altos niveles de generación renovable de carácter variable, pudiendo concluir sobre: tamaños óptimos,localización y horizonte de ingreso al sistema. Sin embargo, para los niveles de infraestructura considerados,usualmente el modelo no opta por incorporar sistemas de almacenamiento para postergar inversiones en lared de transmisión, pues los niveles de potencia de las líneas son demasiado altos. No obstante, respondiendoal uso eficiente de la red de transmisión, los sistemas de almacenamiento aportan a aliviar parcialmentecongestiones algunas líneas de transmisión del sistema.
In this work the feasibility of energy storage systems applications on transmission expansion planninghas been analyzed. The analysis focuses on the application of energy storage systems in the transmission upgradedeferral and transmission congestion relief through the improvements in the system load factor.Firstly, energy storage systems were included in the optimal transmission expansion planning problem.Because storage components are time-coupled, the problem diers from the typical approach, and achronological representation has been established, using typical days in order to represent larger time periodsto reduce the computing density. The model has been used on a 5-bus test system and various scenarios weredefined. The scenarios were built from a base scenario and sensitized in relation to length of transmissionlines, high wind and energy levels and the match in profiles of demand and wind energy. Then, for each casethe optimal expansion was compared.Secondly, the economic benefits of energy storage systems were evaluated on a simplified system thatrepresents the electrical national power system, focusing on the joint generation and transmission expansionplanning using PLEXOS and ISO database. High-level uncertainty were used on the scenarios.Results on test system indicate that, in relation to the transmission upgrade deferral analyzed inthe scenarios, the investment in energy storage systems was unrelated to high renewable integration levels,and in matching the load and wind generation profiles. This happens even when supposing low investmentcosts in energy storage systems, mainly because the savings due to avoiding the dumping of energy and thetemporal displacement of that energy do not justify the decision to incorporate energy storage systems. Energystorage systems provide economic benefits on scenarios with high line distances or high investment costs intransmission lines, reflecting that, at greater distances between generation and load centers, there is a greaterbenefit on storage systems incorporation, it depends on energy storage investment costs. Supposing referenceinvestment costs, energy storage systems bring economic benefits, but postpone the investment only for a fewyears. Moreover, supposing low investment cost, the model incorporates energy storage systems that manageto postpone the investment in transmission lines for more years, but only under unusual conditions.Finally, results on simplified model of the electrical national power system show that, under jointgeneration and transmission expansion planning, energy storage systems provide economic benefits under thescenarios considerations. In this case, energy storage systems contribute to transmission system performanceimprovement and as a supplement to high level of renewable and variable energy. It is possible to concludeon: optimal size, location and implementation date. However, taking into account the infrastructure levelsconsidered, the model usually does not choose to incorporate storage systems into upgrade deferral applications,because transmission lines capacity levels are too high. Nevertheless, in response to the ecient use ofthe transmission network, the storage systems contribute in transmission congestion relief in some lines ofthe system.
In this work the feasibility of energy storage systems applications on transmission expansion planninghas been analyzed. The analysis focuses on the application of energy storage systems in the transmission upgradedeferral and transmission congestion relief through the improvements in the system load factor.Firstly, energy storage systems were included in the optimal transmission expansion planning problem.Because storage components are time-coupled, the problem diers from the typical approach, and achronological representation has been established, using typical days in order to represent larger time periodsto reduce the computing density. The model has been used on a 5-bus test system and various scenarios weredefined. The scenarios were built from a base scenario and sensitized in relation to length of transmissionlines, high wind and energy levels and the match in profiles of demand and wind energy. Then, for each casethe optimal expansion was compared.Secondly, the economic benefits of energy storage systems were evaluated on a simplified system thatrepresents the electrical national power system, focusing on the joint generation and transmission expansionplanning using PLEXOS and ISO database. High-level uncertainty were used on the scenarios.Results on test system indicate that, in relation to the transmission upgrade deferral analyzed inthe scenarios, the investment in energy storage systems was unrelated to high renewable integration levels,and in matching the load and wind generation profiles. This happens even when supposing low investmentcosts in energy storage systems, mainly because the savings due to avoiding the dumping of energy and thetemporal displacement of that energy do not justify the decision to incorporate energy storage systems. Energystorage systems provide economic benefits on scenarios with high line distances or high investment costs intransmission lines, reflecting that, at greater distances between generation and load centers, there is a greaterbenefit on storage systems incorporation, it depends on energy storage investment costs. Supposing referenceinvestment costs, energy storage systems bring economic benefits, but postpone the investment only for a fewyears. Moreover, supposing low investment cost, the model incorporates energy storage systems that manageto postpone the investment in transmission lines for more years, but only under unusual conditions.Finally, results on simplified model of the electrical national power system show that, under jointgeneration and transmission expansion planning, energy storage systems provide economic benefits under thescenarios considerations. In this case, energy storage systems contribute to transmission system performanceimprovement and as a supplement to high level of renewable and variable energy. It is possible to concludeon: optimal size, location and implementation date. However, taking into account the infrastructure levelsconsidered, the model usually does not choose to incorporate storage systems into upgrade deferral applications,because transmission lines capacity levels are too high. Nevertheless, in response to the ecient use ofthe transmission network, the storage systems contribute in transmission congestion relief in some lines ofthe system.
Description
Catalogado desde la version PDF de la tesis.
Keywords
ALMACENAMIENTO DE ENERGIA , OPTIMIZACION , SISTEMAS DE TRANSMISION
