algoritmo de gestión dinámica de la demanda para grandes clientes conectados a la red de ...

199 Pages·2014·6 MB·Spanish

by  Victor Martinez Aranza

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE
ESCUELA DE INGENIERIA

ALGORITMO DE GESTIÓN DINÁMICA
DE LA DEMANDA PARA GRANDES
CLIENTES CONECTADOS A LA RED DE
DISTRIBUCIÓN
VICTOR JULIO MARTINEZ ARANZA
Tesis para optar al grado de
Doctor en Ciencias de la Ingeniería
Profesor Supervisor:
HUGH RUDNICK VAN DE WYNGARD
Santiago de Chile, Junio, 2014.
 2014, Víctor Julio Martínez Aranza

..A Dios y la virgen por llevarme en
sus brazos cuando me encontraba sin
fuerzas, a mi familia y amigos por
brindarme su compañía y apoyo en
los momentos más difíciles y a mi
advisor por nunca dejar de creer en
mi capacidad de lograrlo…
ii
AGRADECIMIENTOS
Esta investigación es el resultado de la dedicación, esfuerzo y acompañamiento de
muchas personas, amigos y colegas, quienes me aportaron desde su conocimiento y
apoyo de manera de dar buen término a esta investigación.
Mi más profundo agradecimiento por su incondicional apoyo a mi advisor, el profesor
Hugh Rudnick, quien con su confianza y disposición absoluta, fue una pieza clave para
dar cumplimiento a los objetivos propuestos; y quien sin duda no solo fue mi maestro y
consejero sino también un amigo incondicional con el que Dios me ha privilegiado de
contar.
Al programa de financiación de la Pontificia Universidad Católica de Chile (DIPEI,
VRI), y el programa de Becas para Extranjeros en Chile de CONICYT. A la comisión
evaluadora por su apoyo durante el proceso y comentarios enriquecedores.
Agradezco a los profesores Cristián Muñoz, y Jaime Vera por sus enseñanzas
especialmente en materia de programación y optimización. A Rodrigo Moreno por sus
consejos en el desarrollo de mi investigación y a Sebastian Mocarquer por animarme y
apoyarme a cerrar ciclos en los momentos claves.
Agradezco al personal del DIPEI por su apoyo y asesoría en los temas de doctorado, la
subdirectora Fernanda Kattan, Debbie Meza, Danisa y Jorge.
A mis compañeros de oficina Juan David Molina, Sebastian Romero, Vicente Camino,
Heinz Müller, Hernán Ulloa y German Caicedo, y del departamento de ingeniería
eléctrica, Cristián Hernández, Luz María Neira, Ignacio Rodriguez, Melisa Pérez,
Francisco Reyes, Camila Muñoz, Lurys, Toño, Carlos Feres, Roberto y la colonia
colombiana de ingeniería por traer un poco de sabor colombiano a esta casa de estudios.
Agradezco al departamento de ingeniería eléctrica, a los profesores Sebastián Ríos y
David Watts así como al personal administrativo por su apoyo en el día a día y a las
siempre incondicionales Jessica, Betty, Giannina, la señora Virginia y a Carlitos.
Finalmente, agradezco a mis padres por su formación y apoyo para dar cumplimiento a
este sueño.
iii
INDICE GENERAL
Pág.
DEDICATORIA ............................................................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iii
INDICE DE TABLAS ............................................................................................... vii
INDICE DE FIGURAS ............................................................................................. viii
1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 16
1.1 Visión general de la propuesta ................................................................. 19
1.2 Hipótesis de la investigación .................................................................... 20
1.3 Estado del arte .......................................................................................... 21
1.4 Metodología ............................................................................................. 23
1.5 Resultados de la investigación ................................................................. 24
1.6 Publicaciones ............................................................................................ 31
1.7 Organización de la tesis ........................................................................... 32
2. DSM: CONCEPTOS, ESTADO DEL ARTE Y EXPERIENCIA
INTERNACIONAL Y OPORTUNIDADES ................................................... 33
2.1 Gestión de la Demanda. ........................................................................... 35
2.1.1 Evolución histórica de DSM y Demand Response. ....................... 37
2.1.2 Programas de Gestión de la Demanda. .......................................... 46
2.1.3 Nuevas visiones de Incorporación de DSM en el Mercado
Eléctrico ......................................................................................... 60
2.1.4 Aplicaciones en Latinoamérica. ..................................................... 66
3. MODELOS DE PREFERENCIAS Y VALORIZACIÓN DE LOS
BENEFICIOS PARA LOS CONSUMIDORES .............................................. 78
3.1 Caracterización de preferencias del usuario: Modelo de análisis
jerárquico .................................................................................................. 79
3.2 Valorización de preferencias .................................................................... 81
4. MERCADO SECUNDARIO DE ENERGÍA: SERVICIOS
COMPLEMENTARIOS OFRECIDOS POR LA DEMANDA ....................... 84
4.1 OFFLINE STAGE ................................................................................... 84
4.2 Online stage .............................................................................................. 86
4.3 Participación de la demanda a través del mercado secundario ................ 88
4.4 Aplicabilidad ............................................................................................ 89
4.5 Definición del precio de oferta ante niveles de riesgo e incertidumbre
de demanda futura .................................................................................... 90
4.6 Descripción del modelo de optimización ................................................. 91
4.7 Productos complementarios del mercado. ................................................ 95
4.8 diseño del caso base ................................................................................. 97
4.8.1 Análisis y caracterización de la demanda ...................................... 98
4.8.2 Curvas Sintéticas Tipos de Clientes ............................................ 101
4.8.3 caracterización de las variables de entrada .................................. 110
4.8.4 Resultados del modelo ................................................................. 114
5. ESQUEMAS DE CONTRATACIÓN DE DEMANDA EN EL CORTO Y
LARGO PLAZO ............................................................................................. 120
5.1 Programas de Gestión de demanda ofrecidos por empresas de
comercialización de energía y potencia ................................................. 121
5.1.1 Oferta Base .................................................................................. 122
5.1.2 Reventa de energía no suministrada ............................................ 122
5.2 Esquemas de contratación: incorporación de Demand Response en el
mediano y largo plazo ............................................................................ 124
5.2.1 Incorporación de servicios por suscripción en el mercado
eléctrico ........................................................................................ 125
5.2.2 Joint-Venture en desarrollo de unidades de respaldo .................. 126
5.2.3 Contratos de Autogeneración en horas de punta (Operación en
isla) 127
5.2.4 Contrato de energía prepago ........................................................ 128
5.2.5 Venta de excedentes por eficiencia del cliente a la red ............... 128
5.2.6 Generadores virtuales y distribuidos del lado del consumidor
conectados a la red de distribución. ............................................. 129
5.2.7 Instrumentos para riesgos no cubiertos ........................................ 130
5.3 Otras variables en la estructura contractual y conformación de la oferta
de energía y potencia .............................................................................. 131
5.4 Tamaño óptimo de participación y descentralización de su gestión en
el mercado .............................................................................................. 131
5.5 Definición De Programas para Perfiles de consumo de la red de
Distribución de Santiago, Chile ............................................................. 132
5.6 Beneficios y ahorros en el pago por potencia. ....................................... 138
6. CONCLUSIONES .......................................................................................... 139
6.1 Contribuciones ....................................................................................... 141
6.2 Desarrollos futuros ................................................................................. 146
7. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 148
Anexo A: Demand Response in emerging countries ............................................... 155
Anexo B: Active participation of demand through a secondary ancillary services
market in a smart grid environment ................................................................ 164
Anexo C: Long-run and emissions modeling in Chile: scenario assessment using
MESSAGE ...................................................................................................... 174
Anexo D: Energy planning using MESSAGE: The efect of large energy blocks in
the Chilean system .......................................................................................... 187
Anexo E: Technological impact of non-conventional renewable energy in the
Chilean electricity system ............................................................................... 194
INDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 2-1: Programas de ofertas de la demanda DSB vs. DSM. .................................... 49
Tabla 4-1: Efectos De La Gestión De Demanda En El Caso Base. .............................. 117

vii
INDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 2-1: Evolución histórica de la Demanda Máxima del SIC 1998 -2012. .............. 73
Figura 2-2: Evolución de la generación y el costo marginal 2016 – 2013. Fuente:
Systep .............................................................................................................................. 74
Figura 3-1: Criterios de elección del modelo de preferencias del mecanismo de
respuesta de demanda. Elaboración propia ..................................................................... 80
Figura 4-1: Offline Stage: análisis de preferencias elección, y pre-despacho ................ 85
Figura 4-2: Online Stage: Mecanismo de mercado propuesto para la gestión activa
de la demanda y su participación a través de un mercado de servicios
complementarios ............................................................................................................. 87
Figura 4-3 : Diseño de niveles de cobertura y contratación en función de niveles
de riesgo .......................................................................................................................... 96
Figura 4-4: zonas geográficas del NYISO usadas para el diseño de los escenarios
analizados ........................................................................................................................ 98
Figura 4-5: Matriz de curvas agregadas de consumo del NYISO ................................. 100
Figura 4-6: Perfil horario de una zona residencial. ....................................................... 100
Figura 4-7: Diagrama del proceso de generación de curvas agregadas de carga
horaria con intervalos de 5 minutos. ............................................................................. 102
Figura 4-8. Generación de perfiles de carga por tipo de cliente para conformar la
curva de carga de cada distribuidora del sistema .......................................................... 103
Figura 4-9: Perfil de consumo del tipo horario de oficina (MW) ................................. 105
Figura 4-10: Perfil de consumo a carga plena industrial-minero (MW) ....................... 106
Figura 4-11: Perfil de consumo escalera descendente - Consumo comercial ............... 106
Figura 4-12: Perfil de consumo comercial - escalera ascendente (MW) ...................... 107
Figura 4-13: Perfil de consumo residencial clásico (MW) ........................................... 108
Figura 4-14: Perfiles sintéticos de consumo agregados para una semana tipo ............. 110
Figura 4-15: Niveles de concentración de la demanda en el modelo de barras
agregado del NYISO en 2011 por zonas agregadas de consumo .................................. 111
Figura 4-16: Concentración de la demanda (probabilidad acumulada) para
distintas zonas en el NYISO. ........................................................................................ 112
Figura 4-17: Niveles medios de precio de las ofertas del lado de la demanda y
energía contractual. ....................................................................................................... 113
Figura 4-18: Escenarios de demanda esperada acumulada para un día de trabajo. ...... 114
Figura 4-19: valorización de los beneficios de escenarios simulados del
mecanismo de mercado del día previo para la demanda bajo el paradigma de
SmartGrid. ..................................................................................................................... 115
Figura 4-20: Participación de la demanda por escenario y tipo de programa ............... 116
Figura 4-21: Despacho económico del mecanismo propuesto. Efecto de la
aplicación de la participación de la demanda ante escenarios en donde la
predicción se aleja del escenario real. ........................................................................... 118
viii
Figura 5-1: Clasificación de las áreas de consumo del anillo de distribución de
Chilectra ........................................................................................................................ 135
Figura 5-2: Perfiles de consumo en la red de distribución de Chilectra ........................ 137

ix