Modelado en primeros principios y optimización de la producción energética de una planta eólica

Abstract

Con motivo de optimizar sus operaciones de compra de energía, una compañía eléctrica francesa contrató a mi empresa para el desarrollo matemático, implementación y validación de un modelo que les permitiese estimar la producción de potencia eléctrica de un parque eólico dadas las condiciones ambientales y las características de la planta. Asimismo, con el principal objetivo de desplegar este mismo modelo en sus servidores y que este fuera capaz de adaptarse de manera autónoma y en tiempo real a los posibles cambios que pudieran darse en la planta (pérdida natural de rendimiento, paradas de mantenimiento, instalación de nuevas turbinas, etcétera), también se llevó a cabo el diseño e implementación de un algoritmo de optimización. Para tal fin, se realizó, en primer lugar, una detallada búsqueda bibliográfica acerca de la modelización de producción eléctrica de aerogeneradores y parques eólicos. Una vez el modelado en primeros principios estaba correctamente definido, se procedió a la implementación del mismo en el lenguaje de programación Julia, a petición del cliente. Tras validar el correcto funcionamiento del modelo, el siguiente paso consistió en hacer una segunda revisión bibliográfica para el diseño matemático del algoritmo de optimización. Finalmente, una vez la estrategia de optimización quedo perfectamente definida, se realizó la implementación e integración del mismo con el modelo en primeros principios. El sistema completo también fue testeado arrojando un buen rendimiento, ya que era capaz de adaptarse a los cambios del sistema real y, al mismo tiempo, conseguir mejores resultados que el modelo matemático fuera de línea. Esto es, cumplía los objetivos principales para los cuales había sido diseñado. De este modo, el presente documento se centra en describir en detalle todas las etapas de desarrollo de este proyecto, desde la modelización matemática en primeros principios hasta los pormenores de la implementación software, para concluir analizando los resultados obtenidos por la solución propuesta.

With the aim of optimising the energy market operations, a French-based electric company hired IDENER for the mathematical development, implementation, and validation of a model. The model was intended to estimate the electric power production of a wind park in response to the environmental conditions and the plant parameters. Moreover, with the main goal of deploying this same model in their servers, and that it was able to adapt autonomously and in real time to the possible changes that may occur in the plant (natural loss of performance, maintenance stops, installation of new turbines, etc.), the design and implementation of an optimisation algorithm was developed. To reach such a challenging goal, a detailed bibliographic review about the electric power modelling of aerogenerators and wind parks was first carried out. Once the modelling in first principles was defined correctly, this model was implemented in Julia programming language, as specifically asked by the client. After validating the correct model operation, the next step consisted of doing a second bibliographic review for the mathematical design of the optimising algorithm. Finally, after fine definition of the optimisation strategy, the optimisation algorithm was implemented and integrated with the model in fist principles. The complete system was also tested showing a good performance, as it was able to adapt to the real system changes, and to obtain better results that the offline mathematical model. Thus, the complete system fulfilled the main objectives for which it was designed. The present Master Thesis fully describes all the stages of the project development, since the mathematical modelling in first principles to the software implementation. To conclude with, the results obtained with the proposed solution are fully assessed.