Operação de uma rede de distribuição considerando fontes de energia renováveis, operação e alocação de dispositivos armazenadores de energia e resposta da demanda

Abstract

O Brasil possui uma matriz energética altamente dependente de recursos hídricos e está inserido em um sistema elétrico centralizado. Porém, novas fontes de energia elétrica, como eólica e fotovoltaica, vêm sendo utilizadas no Brasil seguindo o conceito de geração distribuída (GD), ou seja, são instaladas próximas ao consumidor final. A desvantagem destas fontes renováveis em específico é a intermitência da incidência solar nas fontes fotovoltaicas e da intensidade do vento nas fontes eólicas. Assim, neste contexto de preservação ambiental, a integração entre Dispositivos de Armazenamento de Energia (DAE’s) e fontes renováveis de energia intermitentes pode ser benéfica para ambos os lados. Os DAE’s desempenham a função de armazenar energia para utilizá-la nas horas onde a tarifa de energia da rede é mais cara e/ou as fontes renováveis não estejam gerando. Além dos DAE’s é possível ser aplicado um programa de resposta da demanda (RD) que incentive o consumidor a comprar energia fora do horário de pico, o que acaba aliviando a rede nesse determinado horário além de trazer uma redução de custo para o consumidor, visto os demais horários possuírem uma tarifa menor de compra. A proposta deste trabalho é desenvolver um modelo matemático de otimização para a operação de uma rede de distribuição, quando existe a conexão de sistemas de geração fotovoltaica, DAE’s e resposta da demanda. Para tal, deve-se modelar matematicamente um problema que seja capaz de trabalhar com variáveis estocásticas, como é o caso das fontes de energia renováveis e a carga consumida e injetada pelos DAE’s. Uma forma simplificada de abordar tal problema, como pode ser encontrado na literatura, é trabalhar de modo que alguns cenários críticos sejam criados e problemas determinísticos para cada um destes cenários sejam resolvidos e então uma avaliação da operação de cada cenário é realizada. Portanto a proposta deste trabalho é solucionar um problema de programação cônica de segunda ordem inteiro-mista (PCSOIM) considerando diferentes cenários separadamente. O objetivo é minimizar os custos de operação da rede e os custos de compra de energia elétrica por parte do consumidor sujeito a restrições de operação e físicas do sistema. Este problema foi modelado em AMPL (A Modeling Language for Mathematical Programming) e resolvido utilizando o solver comercial CPLEX.

Brazil has an energy matrix highly dependent on water resources and is inserted in a centralized electrical system. However, new sources of electric energy, such as wind and photovoltaic, have been used in Brazil following the concept of distributed generation (DG), in other words, they are installed nearby the final consumer. The disadvantage of these renewable sources in particular is the intermittence of the solar incidence in the photovoltaic sources and the intensity of the wind in the wind sources. Thus, in this context of environmental preservation, the integration between Energy Storage Devices (ESDs) and intermittent renewable energy sources can be beneficial to both sides. The ESDs perform the function of storing energy to use it in the hours at which the energy tariff of the network is higher and / or the renewable sources are not generating. In addition to the ESDs it is possible to apply a demand response program that encourages the consumer to buy energy outside peak hours, which ends up relieving the network at that particular time in addition to bringing a reduction of cost to the consumer, since the other schedules have a lower purchase rate. The goal of this thesis is to develop a mathematical optimization model for the operation of a distribution network, when there is the connection of photovoltaic generation systems, ESDs and demand response. To do so, one must model a problem that is capable of handling stochastic variables, such as the renewable energy sources and the amount of load consumed and injected by the ESDs. A simplified way to address such a problem, as can be found in the literature, is to work so that some critical scenarios are created and deterministic problems for each of these scenarios are resolved and then an evaluation of the operation of each scenario is performed. Therefore, the initial idea of this work is to solve a second-order conic programming problem (PCSOIM) considering different scenarios separately. The objective is to minimize the costs of operating the network and the costs of purchasing electric energy by the consumer subject to operating and physical restrictions of the system. This problem was modeled in AMPL (A Modeling Language for Mathematical Programming) and solved using the commercial solver CPLEX.