A Multiple Criteria Utility-based Approa h for the Unit Commitment with Wind Power and Pumped Storage Hydro

The integration of wind power in eletricity generation brings new challenges to unit commitment due to the random nature of wind speed. For this particular optimisation problem, wind uncertainty has been handled in practice by means of conservative stochastic scenario-based optimisation models, or through additional operating reserve settings. However, generation companies may have different attitudes towards operating costs, load curtailment, or waste of wind energy, when considering the risk caused by wind power variability. Therefore, alternative and possibly more adequate approaches should be explored. This work is divided in two main parts. Firstly we survey the main formulations presented in the literature for the integration of wind power in the unit commitment problem (UCP) and present an alternative model for the wind-thermal unit commitment. We make use of the utility theory concepts to develop a multi-criteria stochastic model. The objectives considered are the minimisation of costs, load curtailment and waste of wind energy. Those are represented by individual utility functions and aggregated in a single additive utility function. This last function is adequately linearised leading to a mixed-integer linear program (MILP) model that can be tackled by general-purpose solvers in order to find the most preferred solution. In the second part we discuss the integration of pumped-storage hydro (PSH) units in the UCP with large wind penetration. Those units can provide extra flexibility by using wind energy to pump and store water in the form of potential energy that can be generated after during peak load periods. PSH units are added to the first model, yielding a MILP model with wind-hydro-thermal coordination. Results showed that the proposed methodology is able to reflect the risk profiles of decision makers for both models. By including PSH units, the results are significantly improved.

A integração de energia eólica nos sistemas de geração de energia elétrica introduz novos desafios no problema do Unit Commitment. A elevada aleatoriedade associada à velocidade do vento tem sido tratada essencialmente através de modelos de otimização estocásticos baseados em cenários, normalmente conservadores, ou através da definição de níveis de reserva adicionais que permitam fazer face aos possíveis desvios em relação às previsões de produção eólica. No entanto, as empresas geradoras de energia apresentam diferentes atitudes perante riscos como o corte de carga, a não satisfação dos níveis de reserva requeridos ou o desperdício de eólica. Na primeira parte deste trabalho é efetuado um estudo do estado da arte das formulações para o problema do Unit Commitment com integração de energia eólica e é proposto um modelo estocástico multi-objectivo alternativo. São considerados como objectivos a minimizar os custos operacionais, do corte de carga e do desperdício de energia eólica. Estes objectivos são representados individualmente através de uma função de utilidade não-linear genérica que são agregadas numa função de utilidade aditiva, que é linearizada originando um problema de programação linear inteira mista. Este problema pode ser resolvido por solvers de otimização genéricos de forma a encontrar a solução preferida de um determinado agente de decisão, considerando a sua atitude perante o risco. Numa segunda parte são adicionadas ao modelo termico-eólico as unidades hidroelétricas de geração de energia com sistemas de bombagem e armazenamento. Pretende-se explorar a capacidade destas unidades em utilizar energia eólica para bombar água que fica armazenada em forma de energia potencial, podendo posteriormente ser gerada em períodos de maior procura de energia. Testes realizados demonstram que a abordagem multi-critério proposta reflete as diferentes atitudes do decisor em ambos os modelos. Considerando unidades hídricas com bombagem os resultados são melhorados significativamente.