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Formação Galp Energia Modelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica

Formação Galp Energia Modelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica. : : Sessão #4 : : Comissionamento de Grupos Térmicos de Produção de Energia Eléctrica Jorge de Sousa Professor Coordenador ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

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Formação Galp Energia Modelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica

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  1. Formação Galp EnergiaModelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica ::Sessão #4:: Comissionamento de Grupos Térmicos de Produção de Energia Eléctrica Jorge de Sousa Professor Coordenador ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Webpage: pwp.net.ipl.pt/deea.isel/jsousa

  2. Agenda • Enquadramento • Exemplos de aplicação • Técnicas de resolução • Método da lista prioritária • Modelação e simulação em GAMS • Exercícios de aplicação em GAMS

  3. Enquadramento Comissionamento de grupos • O problema do despacho económicoanalisado anteriormente pretende responder à questão: Quanto é que cada grupo deverá produzir por forma a satisfazer uma dada carga ao mais baixo custo? • O problema do comissionamento de gruposcoloca-se antes do problema do despacho económico e pretende responder à questão: Quais os grupos que deverão funcionar em cada momento por forma a satisfazer uma dada carga que varia ao longo do tempo? • O problema do comissionamento de grupos contem mais elementos de entrada tais como as restrições técnicas de: tempo mínimo de paragem, tempo mínimo de funcionamento, tempo de arranque e custos de arranque.

  4. Agenda • Enquadramento • Exemplos de aplicação • Técnicas de resolução • Método da lista prioritária • Modelação e simulação em GAMS • Exercícios de aplicação em GAMS

  5. Exemplos de aplicação (3 grupos)Características dos grupos térmicos Grupo #1 PMin = 150 MW PMax = 600 MW H1(P1) = 510 + 7,2 P1 + 0,00142 P12 [MBtu/h] Grupo #2 PMin = 100 MW PMax = 400 MW H2(P2) = 310 + 7,85 P2 + 0,00194 P22[MBtu/h] Grupo #3 PMin = 50 MW PMax = 200 MW H3(P3) = 78 + 7,97 P3 + 0,00482 P32 [MBtu/h]

  6. Exemplos de aplicação (3 grupos)Comissionamento de grupos #1 Custo do combustível F1 = 1,1 €/MBtu F2 = 1,0 €/MBtu F3 = 1,2 €/MBtu Problema #1 Para uma procura de 550 MW qual a combinação de grupos que deverá funcionar e qual a potência que cada um deve fornecer?

  7. Exemplos de aplicação (3 grupos)Comissionamento de grupos #1

  8. Exemplos de aplicação (3 grupos)Comissionamento de grupos #1

  9. Exemplos de aplicação (3 grupos)Comissionamento de grupos #2 Na realidade a potência solicitada varia em cada momento de acordo com o diagrama de carga pelo que é necessário determinar uma sequência temporal de comissionamento dos grupos electroprodutores

  10. Exemplos de aplicação (3 grupos)Comissionamento de grupos #2 Problema #2 Qual deverá ser a sequência de comissionamento considerando que os 3 grupos descritos no exemplo anterior têm de satisfazer o diagrama de carga diário acima apresentado?

  11. Exemplos de aplicação (3 grupos)Comissionamento de grupos #2 Solução expedita Uma forma expedita de solucionar o problema (de “força bruta”) pode ser obtida para cada intervalo de 100 MW entre a potência mínima e máxima de carga de 500 MW e 1200 MW respectivamente. Deste modo pode usar-se uma regra simples baseada na potência máxima disponível para cada combinação de grupos: • Pcarga ≤ 600 MW => Grupo #1 • 600 MW < Pcarga≤ 1000 MW => Grupos #1 e #2 • Pcarga > 1000 MW => Grupos #1, #2 e #3

  12. Exemplos de aplicação (3 grupos)Comissionamento de grupos #2

  13. Agenda • Enquadramento • Exemplos de aplicação • Técnicas de resolução • Método da lista prioritária • Modelação e simulação em GAMS • Exercícios de aplicação em GAMS

  14. Técnicas de resoluçãoRestrições Restrições O problema do comissionamento de grupos torna-se mais complexo porque para além das múltiplas combinações possíveis de grupos para satisfazer a carga ao longo do tempo existem outras restrições que têm de ser consideradas • Reserva girante • Restrições técnicas dos grupos térmicos • Restrições técnicas dos grupos hídricos • Restrições de combustível

  15. Técnicas de resoluçãoRestrições dos grupos térmicos Restrições dos grupos térmicos Os grupos térmicos têm restrições associadas ao processo termodinâmico de geração que podem ser mais ou menos rígidas em função da tecnologia de produção (nuclear, carvão, gás, fuel). Destas restrições têm particular importância as seguintes: • Tempo mínimo de funcionamento • Tempo mínimo de paragem • Tempo e custo de arranque • Tempo e custo de paragem

  16. Técnicas de resoluçãoSoluções mais utilizadas Técnicas de resolução do problema de comissionamento Atendendo à complexidade do problema do comissionamento de grupos a procura de técnicas satisfatórias de solução tem merecido grande interesse, destacando-se os seguintes métodos: • Lista prioritária (LP ou PL) • Programação dinâmica (PD ou DP) • Programação inteira mista (PIM ou MIP)

  17. Agenda • Enquadramento • Exemplos de aplicação • Técnicas de resolução • Método da lista prioritária • Modelação e simulação em GAMS • Exercícios de aplicação em GAMS

  18. Método da lista prioritáriaDescrição do método Lista prioritária A aplicação do método da lista prioritária à resolução do problema do comissionamento de grupos implica a existência de um critério que estabeleça uma ordem de mérito entre os grupos electroprodutores por forma a que eles sejam comissionados/descomissionados de acordo com essa ordem de mérito. Um critério bastante utilizado é o custo médio à potência máxima. De acordo com este critério a ordem de mérito de cada grupo é tanto maior quanto menor for o seu custo médio calculado no ponto de potência máxima, ou seja:

  19. Método da lista prioritáriaAplicação Problema #3 Considerando os 3 grupos térmicos indicados anteriormente determinar a lista prioritária. Grupo #1PMin = 150 MW PMax = 600 MW F1(P1) = 1,1 x (510 + 7,2 P1 + 0,00142 P12) [€/h] Grupo #2PMin = 100 MWPMax = 400 MW F2(P2) = 1,0 x (310 + 7,85 P2 + 0,00194 P22)[€/h] Grupo #3PMin = 50 MW PMax = 200 MW F3(P3) = 1,2 x (78 + 7,97 P3 + 0,00482 P32) [€/h] Solução: F1(600)/600 = 9,792 €/MWh 2º F2(400)/400 = 9,401 €/MWh 1º F3(200)/200 = 11,189 €/MWh 3º

  20. Método da lista prioritáriaAplicação Problema #4 Considere o método da lista prioritária, cujo critério é o custo médio à potência máxima, para efectuar o comissionamento de três grupos caracterizados pelas seguintes funções de custo: • F1(P1) = 250 + 5.0 P1 + 0.0040 P12 [€/h] ; 100  P1  400 [MW] • F2(P2) = 100 + 6.0 P2 + 0.0015 P22 [€/h] ; 100  P2  300 [MW] • F3(P3) = 300 + 3.0 P3 + 0.0010 P32 [€/h] ; 100  P3  300 [MW]

  21. Método da lista prioritáriaAplicação Problema #4 (cont.) a) Indique a lista prioritária e os respectivos estados. b) Quais os estados seleccionados para satisfazer o diagrama de carga ? c) Admitindo que o critério de RESERVA é de 100 MW, como responderia à alínea anterior ? d) Admitindo que o tempo mínimo de FUNCIONAMENTO dos grupos é de 2 horas e que o estado inicial é o 4, como responderia à alínea anterior? e) Admitindo que o tempo mínimo de PARAGEM dos grupos é de 2 horas, como responderia à alínea anterior ? Solução:

  22. Agenda • Enquadramento • Exemplos de aplicação • Técnicas de resolução • Método da lista prioritária • Modelação e simulação em GAMS • Exercícios de aplicação em GAMS

  23. Modelação e simulação em GAMSEnquadramento • O problema do Comissionamento de Grupos pretende responder à questão: Quais os grupos geradores que deverão estar em funcionamento em cada momento por forma a satisfazer uma dada carga, que varia ao longo do tempo, de forma economicamente óptima? • No problema de Comissionamento de Grupos tem-se em consideração diversas restrições técnicas de operação dos grupos térmicos como sejam os limites de potência mínima e potência máxima, os custos de arranque e paragem, bem como as rampas máximas de subida e de descida de potência. • A resolução do problema do Comissionamento de Grupos pode ser efectuada com recurso ao GAMS para modelizar e resolver o problema de minimização do custo total de produção com as restrições técnicas impostas pelos grupos térmicos e garantindo o balanço entre a produção e a carga.

  24. Modelação e simulação em GAMSExemplo de aplicação (1/2) Considere 4 grupos térmicos de geração de energia eléctrica com as características de potência mínima, potência máxima, gradiente de descida, gradiente de subida, custo fixo, custo variável, custo de arranque e custo de paragem indicados na seguintes tabela: Pmin Pmax Gradiente Gradiente Custo Custo Custo Custo descida subida fixo variavel arranque paragem (MW) (MW) (MW/h) (MW/h) (€/h) (€/MWh) (€) (€) 1 80 400 300 200 7 20 5 0.130 2 80 200 150 100 7 18 3 0.125 3 40 150 100 100 6 5 1 0.150 4 50 500 200 200 6 3 1 0.150

  25. Modelação e simulação em GAMSExemplo de aplicação (2/2) Pretende-se resolver o problema de comissionamento dos 4 grupos referidos para satisfazer uma carga que varia ao longo de 3 horas e garantindo a existência de uma dada reserva girante com os valores seguidamente indicados: Carga Reserva (MW) (MW) 1 200 20 2 650 60 3 500 50

  26. Modelação e simulação em GAMSProgramação em GAMS (1/5) * COMISSIONAMENTO DE GRUPOS termicos de producao de energia * electrica para satisfazer um diagrana de carga com condicao * de reserva girante e com as restricoes impostas pelas condicoes * tecnicas de operacao dos grupos geradores SETS t indice dos periodos de tempo /0*3/ g indice dos grupos geradores /1*4/ TABLE GenDATA(g,*) caracteristicas dos grupos geradores PMIN PMAX GD GS A B CA CP * Pmin Pmax Gradiente Gradiente Custo Custo Custo Custo * descida subida fixo variavel arranque paragem * (MW) (MW) (MW/h) (MW/h) (€/h) (€/MWh) (€) (€) 1 80 400 300 200 7 20 5 0.130 2 80 200 150 100 7 18 3 0.125 3 40 150 100 100 6 5 1 0.150 4 50 500 200 200 6 3 1 0.150 ;

  27. Modelação e simulação em GAMSProgramação em GAMS (2/5) TABLE LoadDATA(t,*) diagrama de carga e margem de reserva D R * Carga Reserva * (MW) (MW) 1 200 20 2 650 60 3 500 50 ; VARIABLES z funcao objectivo - custo total de producao p(g,t) potencia do gerador g no periodo t v(g,t) igual a 1 se o gerador g esta comissionado no periodo t y(g,t) igual a 1 se o gerador g arranca no periodo t s(g,t) igual a 1 se o gerador g e desligado no periodo t ; POSITIVE VARIABLES p(g,t);

  28. Modelação e simulação em GAMSProgramação em GAMS (3/5) * Variaveis de estado sao modeladas por variaveis binarias BINARY VARIABLES v(g,t),y(g,t),s(g,t); * Inicializacao dos geradores: desligados no periodo inicial v.fx(g,'0')=0; p.fx(g,'0')=0; EQUATIONS CUSTO equacao funcao objectivo - custo total de producao PMAXLIM(g,t) equacao de potencia maxima PMINLIM(g,t) equacao de potencia minima BALANCO(t) equacao de balanco producao-carga RESERVA(t) equacao de reserva girante LOGIC(g,t) equacao logica de subida descida e comissionamento SUBIDA(g,t) equacao de maxima rampa de subida DESCIDA(g,t) equacao de maxima rampa de descida ;

  29. Modelação e simulação em GAMSProgramação em GAMS (4/5) ** A funcao objectivo corresponde ao custo total de producao ** As restantes equacoes sao definidas para todos os periodos de tempo ** excepto o periodo inicial (t=0). Para modelar esta excepcao ** utiliza-se a condicao $(ord(t) GT 0) CUSTO .. z =e= SUM((t,g), GenDATA(g,'A')*v(g,t)+GenDATA(g,'B')*p(g,t) + GenDATA(g,'CA')*y(g,t)+GenDATA(g,'CP')*s(g,t)); PMAXLIM(g,t)$(ord(t) GT 0) .. p(g,t) =l= GenDATA(g,'PMAX')*v(g,t); PMINLIM(g,t)$(ord(t) GT 0) .. p(g,t) =g= GenDATA(g,'PMIN')*v(g,t); BALANCO(t)$(ord(t) GT 0) .. SUM(g,p(g,t)) =e= LoadDATA(t,'D'); RESERVA(t)$(ord(t) GT 0) .. SUM(g,GenDATA(g,'PMAX')*v(g,t)) =g= LoadDATA(t,'D') + LoadDATA(t,'R');

  30. Modelação e simulação em GAMSProgramação em GAMS (5/5) LOGIC(g,t)$(ord(t) GT 0) .. y(g,t)-s(g,t) =e= v(g,t)-v(g,t-1); SUBIDA(g,t)$(ord(t) GT 0) .. p(g,t)-p(g,t-1) =l= GenDATA(g,'GS'); DESCIDA(g,t)$(ord(t) GT 0) .. p(g,t-1)-p(g,t) =l= GenDATA(g,'GD'); * Modelo sem as restricoes de gradientes e de reserva MODEL CG1 /CUSTO,PMAXLIM,PMINLIM,BALANCO,LOGIC/; * Modelo sem as restricoes de gradiente de subida e descida MODEL CG2 /CUSTO,PMAXLIM,PMINLIM,BALANCO,RESERVA,LOGIC/; * Modelo com todas as restricoes MODEL CG3 /ALL/; option mip=BARON; SOLVE CG1 USING mip MINIMIZING z; DISPLAY z.l, p.l, v.l, y.l, s.l; SOLVE CG2 USING mip MINIMIZING z; DISPLAY z.l, p.l, v.l, y.l, s.l; SOLVE CG3 USING mip MINIMIZING z; DISPLAY z.l, p.l, v.l, y.l, s.l;

  31. Agenda • Enquadramento • Exemplos de aplicação • Técnicas de resolução • Método da lista prioritária • Modelação e simulação em GAMS • Exercícios de aplicação em GAMS

  32. Exercícios de aplicação em GAMS • Usando as características dos grupos térmicos do exemplo apresentado, efectue o Comissionamento de Grupos (usando o GAMS) para a carga dada em cada uma das seguintes situações: • Considerando as restrições de potência mínima e potência máxima dos grupos térmicos • Para além das restrições anteriores considerando também a condição de reserva girante • Para além das restrições anteriores considerando também as condições de gradiente máximo de subida e descida dos grupos • Comente os resultados obtidos em cada uma das alíneas anteriores e explique a diferença dos resultados em função das restrições consideradas.

  33. Formação Galp EnergiaModelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica ::Sessão #4:: Comissionamento de Grupos Térmicos de Produção de Energia Eléctrica Jorge de Sousa Professor Coordenador ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Webpage: pwp.net.ipl.pt/deea.isel/jsousa

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