Optimal power dispatch in direct current microgrids considering variation in wind and solar generation and energy demand behavior

Abstract

El incremento del consumo energético mundial, los problemas asociados a la generación de electricidad en grandes centrales, el agotamiento de combustibles no renovables, pérdidas de energía y el alto impacto ambiental, han motivado el uso de generadores distribuidos basados en energías renovables e integrados a microrredes DC, las cuales ofrecen ventajas frente a las microrredes AC tales como: la facilidad de integración con dispositivos de almacenamiento de energía y con fuentes de energía renovable que generan en DC, el aumento de la capacidad de las líneas eléctricas, así como la reducción en la complejidad matemática del modelo que representa la microrred, debido a la ausencia de frecuencia y de potencia reactiva, entre otras ventajas. Para satisfacer las necesidades técnicas, operativas y económicas de este tipo de sistemas y de su operador y/o propietario, es necesario realizar un adecuado despacho de la potencia de los generadores distribuidos dentro de la microrred, lo cual se conoce como problema de despacho óptimo de potencia. La solución a este tipo de despacho requiere resolver modelos matemáticos no lineales y no convexos que cumplan con la demanda de energía y las restricciones del sistema, para lo cual se desarrollan estrategias computacionales que determinen en el menor tiempo posible, la mejor configuración de potencias a inyectar en el sistema. Este trabajo propone una estrategia para el despacho óptimo de potencia en microrredes de DC considerando la variación en generación eólica y solar, y en la demanda de potencia en un horizonte de 24 horas que permita mejorar las condiciones técnico-económicas. Para el trabajo se definieron las componentes de la microrred DC, el modelo matemático que representa el problema, los sistemas de prueba, y las técnicas de solución a implementar para los problemas de flujo de potencia y de flujo óptimo de potencia en microrredes DC. Para la programación de los algoritmos propuestos se utilizó el software especializado Matlab. Finalmente, se obtuvo una técnica o metodología de solución computacionalmente eficiente aplicable al problema de despacho óptimo de potencia considerando un periodo de análisis de 24 horas, la cual es aplicable en cualquier topología de microrred DC, que cuente con generación distribuida a base de energía solar y eólica.The increase in world energy consumption, the problems associated with the generation of electricity in large power plants, the depletion of non-renewable fuels, energy losses and the high environmental impact, have motivated the use of distributed generators based on renewable energies and integrated into DC microgrids, which offer advantages over AC microgrids such as: the ease of integration with energy storage devices and renewable energy sources that generate in DC, the increase in the capacity of the power lines, as well as the reduction in the mathematical complexity of the model that represents the microgrid, due to the absence of frequency and reactive power, among other advantages. To satisfy the technical, operational and economic needs of this type of system and its operator and / or owner, it is necessary to adequately dispatch the power of the generators distributed within the microgrid, which is known as the optimal power dispatch problem. The solution to this type of dispatch requires solving non-linear and non-convex mathematical models that meet the energy demand and system constraints, for which computational strategies are developed that determine in the shortest possible time, the best configuration of powers at inject into the system. This work proposes a strategy for the optimal power dispatch in DC microgrids considering the variation in wind and solar generation, and in the demand for power in a 24-hour horizon that allows improving the technical-economic conditions. For this work, the components of the DC microgrid, the mathematical model representing the problem, the test systems, and the solution techniques to be implemented for the problems of power flow and optimal power flow in DC microgrids were defined. Matlab specialized software was used to program the proposed algorithms. Finally, an efficient computational solution technique or methodology applicable to the optimal power dispatch problem was obtained considering a 24-hour analysis period, which is applicable in any DC microgrid topology, which has distributed generation based on solar and wind energy