An integrated framework for modelling and control of eP2P interactions based on model predictive control

Resumen

El paradigma energético está experimentando cambios sustanciales en los últimos años. En cuanto a la producción, se observa cómo la generación distribuida, con un aporte cada vez mayor de fuentes renovables, está desplazando a las grandes plantas de generación concentrada. Pero el cambio fundamental no consiste tanto en el suministro de energía como en la dilución de la clasificación tradicional entre productores y consumidores para dar paso al concepto de prosumidores. Es decir, en lugar de ser simplemente consumidores de energía, los hogares y las industrias también se convierten en productores. En principio, el objetivo de esta producción, que es intrínsecamente distribuida, es el autoconsumo. Sin embargo, cuando hay un excedente de producción, los prosumidores pueden elegir entre almacenar el excedente, si tienen un sistema de almacenamiento de energía, o vender la fracción no utilizada de la energía. Un tipo obvio de prosumidores son aquellas industrias que cuentan con instalaciones de generación renovable y que, como consecuencia de su proceso de producción, generan subproductos que pueden ser utilizados para la cogeneración. En este caso, un problema obvio para la empresa es seleccionar en todo momento las fuentes de energía que minimizan el coste de producción, lo que se conoce como Optimal Power Dispatch (OPD). Si, además, se conoce el perfil temporal de consumo de energía asociado al proceso de fabricación (por unidad de materia prima introducida), también es posible realizar un programa de producción óptimo para minimizar el coste de la energía, lo cual se denomina Optimal Power Scheduling (OPS). El capítulo 3 presenta un Controlador Predictivo Económico basado en Modelo (EMPC) que realiza simultáneamente OPD y OPS utilizando como caso de estudio una almazara olivarera. La aparición de la figura de los prosumidores energéticos hace necesario ampliar, mejorar o sustituir los mecanismos tradicionales de intercambio energético. Esta tesis incluye enfoques novedosos para modelar el comportamiento de los prosumidores. También propone nuevas estructuras para facilitar el comercio de energía, siempre desde la perspectiva de la peerificación del paradigma energético. Así, otra línea de investigación estudia el establecimiento de mercados peer-to-peer (P2P) para el intercambio de energía entre prosumidores heterogéneos (viviendas, vehículos, edificios inteligentes, etc.). Se compara la eficiencia de los mercados basados tanto en subastas dobles discretas (Discrete Double Auction - DDA) como en subastas dobles continuas (Continuous Double Auctions - CDA). También se introduce un Sistema de Gestión Energética (Energy Management System - EMS) que incluye un software de agente de mercado que permite que las tareas necesarias para la participación en las subastas (determinación de la valoración privada, selección de roles y adaptación de precios) se lleven a cabo automáticamente. Los capítulos 4, 5 y 6 presentan algunos ejemplos de estos mercados de intercambio establecidos entre diferentes tipos de prosumidores: i) mercado de energía para vehículos eléctricos que coinciden aparcados en un gran lugar de trabajo, ii) mercado de energía para hogares dentro de un mismo barrio y iii) mercados integrados de energía y electricidad para entidades energéticas heterogéneas. La evolución de los mecanismos mencionados y la aparición de nuevos modelos de mercado deben ir acompañados del desarrollo de técnicas de control que optimicen y automaticen todos los procesos relacionados con el ahorro y la comercialización de la energía, por parte de un conjunto de prosumidores cada vez más heterogéneos. Esta tesis trata de cómo las diferentes variantes de los controladores predictivos pueden contribuir a este último aspecto. Para las industrias con capacidad de cogeneración, el EMPC contribuye a la programación óptima de la producción para maximizar el rendimiento de la reutilización de la energía, ya sea a través del autoconsumo o de la comercialización de excedentes. Por otro lado, se propone el uso del control predictivo estocástico para maximizar el rendimiento esperado de la participación de los prosumidores, cualquiera que sea su tipo, en mercados P2P donde el precio de la energía está sujeto a incertidumbres.