Simulación De un Modelo De Despacho Económico

De una Micro-Red Aislada en Tilipulo-Latacunga

1st Borja Michael 2nd Caiza Henry 3rd Cajilema Kevin

Carrera de Electricidad Carrera de Electricidad Carrera de Electricidad
Universidad Técnica de Cotopaxi Universidad Técnica de Cotopaxi Universidad Técnica de Cotopaxi
Latacunga, Ecuador Latacunga, Ecuador Latacunga, Ecuador
michael.borja7766@utc.edu.ec henry.caiza7129@utc.edu.ec kevin.cajilema6320@utc.edu.ec

4th Pilataxi Angelo 5th Silva Kevin

Carrera de Electricidad Carrera de Electricidad
Universidad Técnica de Cotopaxi Universidad Técnica de Cotopaxi
Latacunga, Ecuador Latacunga, Ecuador
angelo.pilataxi5982@utc.edu.ec kevin.silva1440@utc.edu.ec

Resumen: En Ecuador, desde la perspectiva de las I. I NTRODUCCI ÓN

emisiones de Gases de Efecto Invernadero según el
INGEI 2012,las emisiones ascienden a 80 627,16 Gg de Durante el 2022 en Ecuador la producción energética
CO2eq, de los cuales el sector Energı́a genera el mayor acorde al plan nacional de Electricidad indica que el 84.91%
aporte con 46,63% de dichas emisiones. Como solución, corresponde a Hidroeléctricas, el 12.35% Termoeléctricas,
se propone la adopción de energı́as no convencionales 1.61% Interconexión y el 1.13% Generación No Convencional
mediante el diseño de un sistema hı́brido que combina [1]. La adopción de fuentes de energı́a fotovoltaica y eólica
generación fotovoltaica, eólica y diésel. Este sistema ha experimentado un notable aumento desde el año 2013, de
se optimiza a través de un despacho económico, cuyo acuerdo con las disposiciones establecidas por la regulación
objetivo primordial es ajustar las variables de entrada Arconel [2].
y minimizar los costos operativos para satisfacer la
demanda del sector Tilipulo en la ciudad de Latacunga, En este escenario, la implementación de redes aisladas se
Ecuador, durante un perı́odo de 24 horas con la ayuda vuelve imperativa debido a la evolución de las emisiones
del software Fico Express Optimization Suite. de CO2. Según Sandoval et al. [3] uno de los principales
impulsores de este fenómeno es el crecimiento de la
Palabras clave: Despacho, Demanda, Eólica, actividad económica. Además, la elección de tecnologı́as en
Optimización, Solar. la producción desempeña un papel crucial en la cantidad de
contaminación generada, ya sea en función de las necesidades
Abstract—In Ecuador, from the perspective of greenhouse energéticas o del tipo de energı́a empleada.
gas emissions, according to INGEI 2012, emissions amount to
80,627.16 Gg of CO2eq, of which the energy sector generates Dada la considerable contaminación ambiental, se busca
the largest contribution with 46.63% of these emissions. As a
solution, the adoption of non-conventional energies is proposed respaldar la iniciativa nacional de descarbonización mediante
through the design of a hybrid system that combines photovoltaic, la implementación de fuentes de energı́a renovable no
wind and diesel generation. This system is optimized through an convencionales. Leslie Sepúlveda et al. [4] indica que para
economic dispatch, whose primary objective is to adjust the input garantizar el adecuado desarrollo de estas fuentes, es esencial
variables and minimize operating costs to meet the demand of establecer parámetros tanto técnicos como económicos. Con
the Tilipulo sector in the city of Latacunga, Ecuador, during a 24-
hour period with the help of software Fico Express Optimization este propósito, se propone la elaboración de un plan de
Suite. despacho económico para una Micro-Red aislada destinada al
sector de Tilupulo, en la ciudad de Latacunga, Ecuador.
Keywords—Economic Dispatch, Demand, Wind, Optimization,
Solar.

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978-1-6654-4141-4/21/$31.00 ©2021 IEEE

 La finalidad del despacho es optimizar las variables El sistema hı́brido de energı́a como solución renovable, es
relacionadas con el sistema de Micro-Red aislada, con el definido por S. Ashok [14] como un sistema que consiste
objetivo de reducir costos en el suministro de energı́a de generalmente de dos o más fuentes de energı́a renovables
manera eficiente a la carga [5]. En este caso se considera utilizadas en conjunto para proporcionar una mayor la
un análisis de 24 horas en los meses de Mayo, Septiembre eficiencia del sistema, ası́ como un mayor equilibrio en el
y Agosto cuales muestran datos con mayor, media y menor suministro de energı́as renovables, de este modo, se pretende
potencial solar considerando variables como el precio del capitalizar las ventajas proporcionadas por este sistema,
combustible Diesel, potencial solar y eólico y la demanda especı́ficamente utilizando la tecnologı́a eólica y solar, con el
eléctrica del sector Tilipulo. En [6], Makati Santos et al. fin de lograr una mayor productividad en comparación con la
menciona que el generar un despacho económico de un utilización exclusiva de un solo tipo de energı́a renovable.
sistema Hı́birido de energı́as renovables no convencionales
asegura un sistema eficiente, tanto desde una perspectiva En [15] se propone un sistema hı́brido que integra
técnica como económica. módulos fotovoltaicos, aerogeneradores y generadores diésel,
reemplazando la práctica de depender exclusivamente de
Ecuador ha diseñado su NDC considerando una serie generadores diésel. Este enfoque aborda la alta eficiencia,
de esfuerzos en lı́neas de acción correspondientes con bajos costos de mantenimiento y vida útil asociados con la
un potencial de reducción de emisiones de gases de efecto operación de carga del BESS.
invernadero, sobre la base de un análisis agregado que incluye
a los sectores: Energı́a, Agricultura, Procesos Industriales y La meta final de esta iniciativa es integrar y sincronizar
Residuos [7]. En particular, destaca la promoción de Energı́a la pericia técnica, socioeconómica, financiera y polı́tica
Renovable No Convencional, con un énfasis significativo en disponible en una sola herramienta completa para el
la potenciación de fuentes como la energı́a eólica, solar y el planeamiento energético [16]. Este tipo de Micro-Red se
biogás generado a partir de rellenos sanitarios. posiciona como pionero en abordar la creciente problemática
del aumento de CO2 en la atmósfera, destacándose por su
Jiménez et al en [8] afirma que las redes eléctricas mayor amigabilidad con el medio ambiente sin comprometer
inteligentes (SG, Smart Grid) pretenden transformar el la calidad de la energı́a eléctrica para las necesidades
sistema actual en un sistema distribuido, permitiendo la residenciales en el sector de Tilupulo.
participación en el mercado energético de fuentes de energı́a
renovables y posibilitando el aporte de energı́a a cualquier
agente que esté conectado a la red mediante la creación de
microgeneradores. II. M ATERIALES Y M ÉTODOS

Cabana et al.[17] en Micro-Redes aisladas propone el despa-

Sin embargo, en [9] se afirma que la radiación solar y la
cho económico como medida de anticipación a contingencias y
energı́a del viento son volubles durante el dı́a, lo que causa
garantı́a de un despacho eficiente. Con el despacho económico
una problemática para satisfacer la demanda. Para esto en
se pretende optimizar los costos de la energı́a generada abaste-
[10] se establece que el despacho económico es un proceso
ciendo en su totalidad la demanda eléctrica.
indispensable para cualquier mercado eléctrico porque permite
realizar una adecuada utilización de sus recursos energéticos La Micro-Red aislada en Tilipulo se convierte en un sistema
y el menor costo capital posible. de gestión de energı́a (SGE) que de requiere optimizar para
disminuir costos por generación, la Figura 1 muestra las etapas
Jiménez-Jaya-Lagla-Chasi-Salazar-Zurita et al en [11] del SGE con respecto a la ubicación donde se desarrolla la
proponen un modelo de una Micro-Red aislada la cual puede Micro-Red. Los datos de irradiancia solar como potencia del
operar de manera independiente a la red principal y para viento fueron obtenidos de la NASA a través del proyecto
tener una mayor confiabilidad y seguridad del suministro Prediction Of Worldwide Energy Resources (POWER).
debe de tener más de un sistema energético. El propósito de
una Micro-Red inteligente es reducir al mı́nimo el impacto
ambiental, aumentar la eficiencia del sistema, mejorar la
confiabilidad y calidad del servicio [12].

Considerando la caracterı́stica variante de radiación solar

y velocidad eólica se representa la optimización de la Micro-
Red aislada como un problema de Programación Lineal Entero
Mixta (PLEM) en una función objetivo, como solución al
cambio inmediato de las variables antes mencionadas. Se
implementará el software Fico Express Optimization como
herramienta para implementar el despacho económico [13]. Figura 1. SGE para Micro-Redes Aisladas
 En la Figura 2 se muestra el modelo del despacho Se considera las ecuaciones (3), (4) y (5) como restricciones
económico donde las unidades que ingresan a ella son para la función objetivo.
Potencia Solar (PS) y Potencia del Eólica (PE) que
corresponden a los recursos no convencionales de Tilipulo. PD min ≤ PD t ≤ PD max (3)
Además al modelo también ingresan la demanda de Tilipulo
y la energı́a que contiene un banco de baterı́as (BESS) que
hasta el momento son unidades no despáchales. Las unidades 0 ≤ PENSt ≤ Dt (4)
despáchales son las de salida Potencia Demandada (PD),
Potencia de las baterı́as en modo carga (PBC), Potencia de
0 ≤ PSHt ≤ PSt + PWt (5)
las baterı́as en modo descarga (PBD) respectivamente y las
variables binarias modo XC y XD en modo carga y descarga
utilizadas para definir el estado del BESS. La ecuación (6) establece la condición inicial del Sistema de
Almacenamiento de Energı́a en Baterı́as (BESS), proporcio-
Seguidamente las ultimas variables corresponden a la poten- nando información sobre su energı́a preliminar. La ecuación
cia de la energı́a no suministrada (PENS) y la potencia sumin- (7) permite calcular la energı́a del BESS necesaria para alcan-
istrada ahorrada (PSH) estas dependerán de los parámetros del zar el tiempo restante, mientras que la ecuación (8) establece
estado de carga del BESS considerando la energı́a inicial E0 los lı́mites energéticos del BESS.
y la energı́a máxima Emax que puede almacenar las baterı́as. !
C C

PB t D
Et = E0 + PB t ∗ η − (6)
η
!
D
P B t
Et = Et−1 + PB t C ∗ η C −


(7)
η

Emin ≤ Et ≤ Emax (8)

Considerando el estado del BESS se presentan las ecua-
ciones (9), (10) y (11) con respecto a las variables binarias en
modo carga y descarga.

Xt C + Xt D ≤ 1 (9)
Figura 2. Diagrama de bloques para el Despacho Económico

Emin ≥ PBt C ≥ −Emax · Xt C (10)

La resolución del despacho económico se basa en la in-
vestigación [?], cuyo proceso de optimización de los costes
de la Micro-Red aislada se resuelve con la función objetivo Emin ≤ PBt D ≤ Emax · Xt D (11)
planteada en la ecuación (1), se evaluara la ecuación con-
siderando T = 24.
El nivel de carga del Sistema de Almacenamiento de Energı́a
en Baterı́as (BESS) se determina mediante la ecuación (12).
T 
X Asimismo, este puede estar sujeto a limitaciones definidas por
X = M in CD · PDt + CENS · PENSt + la ecuación (13).
t=1
(1) Et
! SOCt = (12)
P Dt  Emax
(CUBESS ) PBCt ·η + B
C
ηD
SOCmin ≤ SOCt ≤ SOCmax (13)
Donde CD representa el costo de generación del diésel, CENS
es el costo de la energı́a no suministrada, y CUBESS es el El costo de utilización del Sistema de Almacenamiento de
costo de utilización del sistema de almacenamiento de energı́a Energı́a en Baterı́as (BESS) se determina mediante la ecuación
en baterı́as (BESS). Además, NC y ND denotan la eficiencia (14), en la cual CIBESS representa el costo de inversión del
de los modos de carga y descarga del BESS, respectivamente. BESS y Nciclos es el número de ciclos de utilización del
La función objetivo está sujeta a la ecuación de balance (1) BESS.
de energı́a se presenta en la ecuación (2):
CIBESS
CUBESS = (14)
Emax · Nciclos
PDt +PSt +PWt −PSHt +PBt D = Dt −PEN St +PBt C (2)
 El proceso de resolución del Problema de Despacho A continuación se presentan los datos de irradiación solar
Económico con una Programación Lineal Entero Mixta y velocidad del viento utilizados en el despacho económico
(PLEM) se detalla en la Figura 3, donde los parámetros del mismos que se extrajeron del portal web de la NASA (POWER
despacho económico siguen una secuencia hasta alcanzar la Data Access Viewer), asegurando ası́ la confiabilidad y pre-
respuesta de minimizar los costos de operación de la Micro- cisión de las variables de entrada para el desarrollo del
Red aislada, garantizando la óptima satisfacción de la demanda despacho. Con el objetivo de optimizar el funcionamiento de
en cualquier momento del dı́a para los tres casos de estudio. la Micro-Red, se emplean datos técnicos de paneles solares
Este proceso implica la entrada de la demanda eléctrica de y turbinas para calcular la energı́a solar y eólica, focalizando
Tilipulo, ası́ como los datos de potencia solar y eólica. Estos estos cálculos en el sector Tilipulo en la ciudad de Latacunga,
datos permiten calcular el estado de carga (SOC) en los provincia de Cotopaxi. Además, la demanda eléctrica se funda-
ciclos de carga y descarga del Sistema de Almacenamiento de menta en datos reales proporcionados por ELEPCO (Empresa
Energı́a en Baterı́as (BESS), junto con la entrada del generador Eléctrica de Cotopaxi).
diésel a la Micro-Red.

Figura 5. Curva de Demanda Eléctrica del 21/08/2022

La Figura 5 muestra los datos de la curva de demanda

diaria generados por ELEPCO S.A. en el sector Tilipulo, los
cuales son esenciales como datos de entrada en el modelo de
optimización.
Figura 3. Flujo-grama del Despacho Económico [11]

En la Figura 4 se muestra el esquema del sistema hı́brido

a utilizarse en el despacho económico en Tilipulo, basada en
energı́as renovables la cual se considera energı́a solar y eólica,
ası́ mismo, un banco de baterı́as y un generador Diesel cuales
se encargarán de abastecer la demanda eléctrica en dicha zona.

Figura 6. Curva de generación solar fotovoltaica del 21/08/2022

Para dimensionar la energı́a solar fotovoltaica, se consideran

los datos de irradiación difusa, ya que los valores de radiación
Figura 4. Diagrama de Micro-Red basado en ERNC no son uniformes a lo largo de todos los dı́as de la semana.
Figura 7. Curva de generación eólica del 21/08/2022 Figura 10. Curva de generación eólica del 13/05/2022

Para los datos de velocidad del viento en Tilipulo, se Para los datos de velocidad del viento en Tilipulo, se
tomaron en cuenta los valores técnicos del aerogenerador, tomaron en cuenta los valores técnicos del aerogenerador,
los cuales son utilizados para dimensionar la energı́a eólica, los cuales son utilizados para dimensionar la energı́a eólica,
considerando únicamente aquellos con velocidades superiores considerando únicamente aquellos con velocidades superiores
a 4 m/s². a 4 m/s².

Figura 8. Curva de Demanda Eléctrica del 13/05/2022 Figura 11. Curva de Demanda Eléctrica del 23/09/2022
La Figura 8 muestra los datos de la curva de demanda La Figura 11 muestra los datos de la curva de demanda
diaria generados por ELEPCO S.A. en el sector Tilipulo, los diaria generados por ELEPCO S.A. en el sector Tilipulo, los
cuales son esenciales como datos de entrada en el modelo de cuales son esenciales como datos de entrada en el modelo de
optimización. En la gráfica 9 se puede determinar paramestros optimización.
concernientes a los diefentres valores

Figura 12. Curva de generación solar fotovoltaica del 23/09/2022

Figura 9. Curva de generación solar fotovoltaica del 13/05/2022

Para dimensionar la energı́a solar fotovoltaica, se consideran Para dimensionar la energı́a solar fotovoltaica, se consideran
los datos de irradiación difusa, ya que los valores de radiación los datos de irradiación difusa, ya que los valores de radiación
no son uniformes a lo largo de todos los dı́as de la semana. no son uniformes a lo largo de todos los dı́as de la semana.
 En la Figura 15 que el estado de carga del banco de baterı́as
(BESS), este se empieza a descargarse desde las 7:00 hasta
las 9:00 horas y a partir de ahi este empieza a cargarse hasta
las 19:00 horas, no obstante este desde las 16:00 a 17:00
horas, este se en encuentra en estado de espera (standby)
por tal razón la demanda en ese momento es cubierta por la
potencia diesel llegando de esta manera a descargarse desde
las 19:00 hasta las 23:00 horas.

Figura 13. Curva de generación eólica del 23/09/2022

Para los datos de velocidad del viento en Tilipulo, se

tomaron en cuenta los valores técnicos del aerogenerador,
los cuales son utilizados para dimensionar la energı́a eólica,
considerando únicamente aquellos con velocidades superiores
a 4 m/s².

III. D ISCUSI ÓN DE R ESULTADOS

Los resultados fueron obtenidos de la solución del despacho Figura 15. Estado de Carga del BESS 23/09/2022
económico en los distintos dı́as del caso de estudio en un Por otro lado, el 13 de Mayo del 2022 se establece un
tiempo estimado de 24 horas en el sector de Tilipulo, donde potencial solar intermedio. En cambio en este caso la energı́a
el 23 de Septiembre del 2022 se establece mayor cantidad solar suminstra energı́a eléctrica al sistema desde las 8:00
de potencial solar. Para este caso la energı́a solar suminstra hasta las 15:00 horas, entrando en modo carga el BESS
energı́a eléctrica al sistema desde las 7:00 hasta las 16:00 permitiendo ası́ suplantar la demanda eléctrica desde las
horas, entrando en modo carga el BESS permitiendo ası́ 17:00 hasta las 22:00 horas, sin embargo, el generador diesel
suplantar la demanda eléctrica desde las 19:00 hasta las 23:00 absatece la demanda de manera momentánea a las 16:00
horas, sin embargo, el generador diesel absatece la demanda horas y complementando la misma desde las 23:00 hasta las
de manera momentánea desde las 17:00 hasta las 18:00 horas 7:00 horas del siguiente dı́a siendo esta complementado la
y complementando la misma desde las 24:00 hasta las 6:00 última hora con un potencial constante eólico y potencial solar.
horas del siguiente dı́a.
En la Figura 16 se analiza el dı́a de estudio de un potencial
En la Figura 14 se analiza el dı́a con mayor potencial
solar intermedio donde la energı́a eléctrica es suministrada al
solar algo similar a lo que establece el NCRE, en este dı́a
sistema del sector de Tilipulo con los siguientes porcentajes:
de estudio la energı́a eléctrica es suministrada al sistema del
Potencial solar 32,22 %, BESS 27,82 % , Potencia Diesel
sector de Tilipulo con los siguientes porcentajes: Potencial
29,57 % , Potencial eólico 10,39 %.
solar 30,47 %, BESS 37,89 % , Potencia Diesel 25,18 % ,
Potencial eólico 6,46 %.

Figura 14. Despacho económico 23/09/2022 Figura 16. Despacho económico 13/05/2022
 En la Figura 17 que el estado de carga del banco de baterı́as 9:00 horas y a partir de ahi este empieza a cargarse hasta las
(BESS), este se empieza a descargarse desde las 7:00 hasta las 19:00 horas, no obstante este desde las 16:00 a 17:00 horas,
9:00 horas y a partir de ahi este empieza a cargarse hasta las este se en encuentra en estado de espera (standby) por tal razón
19:00 horas, no obstante este desde las 16:00 a 17:00 horas, la demanda en ese momento es cubierta por la potencia diesel
este se en encuentra en estado de espera (standby) por tal razón llegando de esta manera a descargarse desde las 19:00 hasta
la demanda en ese momento es cubierta por la potencia diesel las 23:00 horas.
llegando de esta manera a descargarse desde las 19:00 hasta
las 23:00 horas.

Figura 17. Estado de Carga del BESS 21/08/2022

IV. CONCLUSIONES
Figura 17. Estado de Carga del BESS 13/05/2022
A través de los resultados obtenidos del despacho
Finalmente, el 21 de Agosto del 2022 se establece mayor económico en un tiempo de 24 horas en el sector de Tilipulo
cantidad de potencial solar. En este dı́a la energı́a solar se determinó que en el primer caso de estudio, la energı́a solar
suminstra energı́a eléctrica al sistema desde las 7:00 hasta las aportó un 34,47%, la energı́a eólica un 6,46%, la potencia
15:00 horas, entrando en modo carga el BESS permitiendo diesel un 25,18%, y el BESS 37,89% para abastecer la
ası́ suplantar la demanda eléctrica desde las 18:00 hasta las demanda eléctrica. Para el Segundo caso de estudio la misma
22:00 horas, sin embargo, el generador diesel absatece la demanda se abasteció con una energı́a solar de 32,22%, la
demanda de manera momentánea desde las 16:00 hasta las generación eólica un 10,39%, el grupo electrógeno desempeña
15:00 horas apoyadas en cierta parte por el potencial solar un 29,57%, y el banco de baterı́as con un total de 27,82%
y complementando la misma desde las 23:00 hasta las 6:00 y Finalmente el tercer caso de estudio la misma demanda
horas del siguiente dı́a. se abasteció con un potencial solar de 26,34%, el potencial
eólico con un 12,96%, el potencial diésel un 22,05% y el
En la Figura 18 se analiza el dı́a de estudio de un potencial banco de baterı́as un valor de 38,65%.
solar bajo donde la energı́a eléctrica es suministrada al
sistema del sector de Tilipulo con los siguientes porcentajes: Se determinó que en los dı́as con mayor potencial solar
Potencial solar 26,24 %, BESS 38,65 % , Potencia Diesel en este caso el 23 de Septimebre la demanda eléctrica
22,05 % , Potencial eólico 12,96 %. es abastecida por la energı́a solar un total de 9 horas a
comparación del caso con menor potencial solar en el dı́a 21
de Agosto este abastece la demanda únicamente 8 horas y de
igual forma con un potencial solar intermedio en el dı́a 13 de
Mayo este es abastecido un total de 8 horas lo que provoca
que en la mayorı́a de lso casos el estado de carga del BESS
se encuentre en un intervalo de 1 hora en estado de espera
(standby)

El potencial de Diesel en los dı́as de mayor potencial solar

este abastece la demanda desde las 24:00 horas en adealante
hasta las 6:00 horas del otro dı́a, sin embargo en los dı́as de
un potencial intermedio y potencial bajo solar, esta potencia
de diesel abastece la demanda desde las 23:00 horas hasta las
Figura 18. Despacho económico 21/08/2022
7:00 horas del dı́a siguiente.
En la Figura 19 que el estado de carga del banco de baterı́as
(BESS), este se empieza a descargarse desde las 7:00 hasta las
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