Hydropower sheduling in basins with heavy ecological and human restrictions

The problem of water resources management aims to calculate the optimal energy bids of a set of hydro plants and to estimate costs for consumptive and nonconsumptive volumes of water, when meeting European and local regulations, consumption requirements and basin rights of use, respecting environmental flows, possible congestions in the electric transmission system and other important concerns. The goal of this thesis is to advance in the development of an effective tool for the management of hydro basins with different economic, social, policy, normative, restrictions and resources characteristics. In first case, an optimisation problem for calculating the best offers of a set of hydro power plants is proposed, considering ecological flows and social consumptions. In the simulations, the costs related to the social consumptions and ecological requirements are compared in a relatively small real Spanish basin, for short-term (24-hour) planning. In second case, an improved representation of the market and the optimization of the hydro plants are integrated in a nested algorithm, to calculate local prices and optimal energy bids in a congested electrical system. The algorithm is applied to a real basin in Italy. In a third case, uncertainties in the resources, improved representations of the hydro plants and environmental constraints are integrated in a large basin, in southern Spain. Stochastic scenarios are used to evaluate the significance of uncertainties in a 72-hours horizon. The study provides a new tool for the coordinated management of large basins, complying with ecological restrictions and governmental regulation on water resource allocation and considering the technical characteristics of hydropower plants and the hydropower production profits.El problema de gestión de recursos hídricos busca determinar las ofertas óptimas de energía para un conjunto de centrales hidroeléctricas y también una estimativa de los costos del agua para los volúmenes consutivos y no consuntivos, cumpliendo normativas europeas y locales, las necesidades de consumo y los derechos de uso de las cuencas, las posibles congestiones en el sistema de transmisión eléctrica y otras cuestiones relevantes. El objetivo de esta tesis es avanzar en el desarrollo de una herramienta eficaz para la gestión de cuencas con diferentes características económicas, sociales, políticas, normativas, restrictivas y de recursos. En el primer caso estudiado, se propone un problema de optimización para el cálculo de las ofertas óptimas de un conjunto de centrales hidroeléctricas, en una cuenca española relativamente pequeña, considerando los flujos ecológicos y los consumos sociales. En las simulaciones de planificación a corto plazo (24 horas), se comparan los costes relacionados con los consumos sociales y los requisitos ecológicos. En el segundo caso de estudio, se integran en un algoritmo iterativo una representación mejorada del mercado y la optimización de las centrales hidroeléctricas, a fin de calcular precios locales y ofertas óptimas de energía en un sistema eléctrico congestionado. El algoritmo es aplicado a una cuenca real en el Norte de Italia. En el tercer caso de estudio, las incertidumbres asociadas a los recursos y una representación mejorada de las centrales hidroeléctricas, junto con las limitaciones ambientales, se integran en un modelo que representa una cuenca real de tamaño significativo en el sur de España. Se utilizan escenarios estocásticos para evaluar la influencia de las incertidumbres en un horizonte de 72 horas. El estudio proporciona así una nueva herramienta para la gestión coordinada de grandes cuencas, cumpliendo con las restricciones ecológicas y la regulación gubernamental sobre asignación de recursos hídricos, teniendo en cuenta las características técnicas de las centrales hidroeléctricas y los beneficios de producción de la energía hidroeléctrica.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Luis Fernández Beites.- Secretario: María Ángeles Moreno López de Saa.- Vocal: Juan Ignacio Pérez Día

On the hydropower short-term scheduling of large basins, considering nonlinear programming, stochastic inflows and heavy ecological restrictions

Large hydro basins are difficult to optimally operate, due to extended water travel times, numerous tributaries to the same reservoir, uncertainties in the water inflows and different characteristics and efficiencies of the hydro plants. Also, optimal management must consider ecological restrictions, guarantying legal and social requirements. This paper proposes an advanced optimization tool, improving economic profits while meeting European and local regulations. Nonlinear relationships between efficiency, height and stored water are represented through piecewise linear functions, without requiring integer variables. Uncertainties in the water inflow and large travel times are considered by using stochastic scenarios. The Guadalquivir Basin, in southern Spain, with 18 reservoirs, a minimum of 50 h between head and mouth of the considered section and strong flow restrictions is analyzed in the study. Results show the robustness of the model and the validity of statistical studies for short-term studies, given a large chain of reservoirs, dry circumstances and strong operation constraints