El objetivo general del presente trabajo de título es realizar, mediante la aplicación de criterios técnicos de ingeniería, una evaluación técnica del desempeño de los algoritmos de Relajación Lagrangeana (RL) y Branch and Bound (B&B) en la búsqueda de soluciones para el problema de optimización de corto plazo en el sistema eléctrico interconectado del norte grande (SING). En la primera parte de la memoria se muestra el planteamiento general del problema de optimización de la operación de corto plazo, el cual corresponde a un problema de optimización entero-mixto y un conjunto de restricciones lineales mediante las cuales se establecen las características técnicas del sistema. Por otra parte, la función objetivo de dicho problema de optimización corresponde a la minimización de los costos asociados a la operación de las unidades en el horizonte de tiempo evaluado. Posteriormente, se muestra una revisión del estado del arte presentando algunas de las principales técnicas utilizadas para resolver este tipo de problema: Lista de Prioridad, Programación Dinámica, Unit Decommitment, RL, Método de Benders, B&B y Algoritmos Genéticos. Para realizar la evaluación sobre los algoritmos de RL y B&B, se realizan programas en Matlab de dichos métodos con el objeto de realizar pruebas que permitan efectuar un análisis comparativo de los rendimientos de ambos algoritmos. Se aplican dichos programas para resolver problemas de predespacho en un modelo reducido del SING. De esta forma se puede observar el rendimiento de cada algoritmo respecto de su capacidad de obtener soluciones factibles, calidad de las soluciones, uso de heurística para generar soluciones y tiempos de ejecución requeridos. Adicionalmente, se puede estudiar la flexibilidad de ambos algoritmos para considerar restricciones de mayor complejidad y sus limitaciones para resolver predespacho en sistemas de dimensiones reales. Se concluye que el algoritmo que presenta un rendimiento que permite resolver de manera más eficiente el problema de predespacho en el SING corresponde al algoritmo RL, lo anterior debido principalmente a los tiempos de ejecución requeridos para su aplicación en sistemas de dimensiones reales y a que las soluciones generadas presentan una precisión del orden del 99% respecto a las soluciones generadas por el otro algoritmo. Adicionalmente, se puede acotar que las actuales políticas de operación aplicadas en el SING no representan una gran complejidad de programación y por lo tanto, la heurística requerida no presenta una complejidad adicional.

En todo el mundo existe preocupación por los impactos de la operación de centrales hidroeléctricas sobre ecosistemas acuáticos. Una manera de cuantificar dichos impactos es a partir del grado de alteración hidrológica inducido por la operación de los embalses, que puede estimarse mediante el análisis de series de tiempo de caudales turbinados (STC). En el Sistema Interconectado Central de Chile, la operación de todas las centrales generadoras queda determinada por el CDEC-SIC, que utiliza modelos de despacho de largo y corto plazo, PLP y PCP, respectivamente. Estos modelos minimizan los costos del sistema satisfaciendo la demanda energética de manera óptima. Uno de los resultados de estos modelos son las STC en las centrales hidroeléctricas, que pueden ser utilizadas para estudios de alteración hidrológica. En el presente estudio, son de principal interés las STC de corto plazo (caudales horarios), cuyo grado de alteración hidrológica se puede analizar a partir de Metrics of Hydrologic Alteration (MHA). El Centro de Energía de la FCFM de la Universidad de Chile (CE-FCFM), cuenta con los modelos DeepEdit (Despacho) y MIPUC (Predespacho), réplicas del PLP y PCP respectivamente. Estos modelos consideran, para centrales hidroeléctricas en cascada, que el tránsito del agua ocurre de forma instantánea de una central a otra. De esta manera, el objetivo principal de este trabajo, es implementar una representación de los tiempos de viaje en el modelo de corto plazo, y estudiar el impacto de esta modificación sobre las STC. Para obtener las STC de corto plazo se deben utilizar ambos modelos en conjunto, ya que uno de los datos de salida del modelo de largo plazo (Función de Costo Futuro Esperado) ingresa como dato de entrada en el modelo de corto plazo, que entrega las STC a nivel horario. Para el periodo incluido en el presente estudio, ya existían resultados de estas Funciones De Costo Futuro Esperado, por lo que no fueron necesarias las simulaciones del modelo de largo plazo. Así, el modelo utilizado (y adaptado) en el presente estudio, corresponde solamente al modelo de corto plazo, MIPUC. Con las STC de carácter horario, se calculan las MHA, las que son empleadas para comparar los valores relacionados con los resultados de una simulación con y sin adaptación. En este trabajo se comparan los resultados de tres versiones del modelo: i) versión sin adaptación, ii) versión con adaptación simple (considera tiempos de viaje de valor entero), y iii) versión con adaptación sofisticada (enfoque continuo para los tiempos de viaje). Para estas versiones, se tienen resultados de las MHA, para distintas semanas y valores de caudal (que determinan de forma exógena los tiempos de viaje), con los cuales se confeccionan curvas de frecuencia acumulada para cada MHA, pudiendo determinar niveles de variabilidad de las STC para un valor particular de cada MHA (conocidos de la literatura), que es conocido como “valor umbral” el que al ser superado indica un impacto medioambiental significativo. Los resultados fueron bastante variados para cada MHA, para cada versión del modelo. De esta forma, se realiza un análisis que cuantifica la variabilidad de las STC de ambos enfoques en función de los caudales considerados (inversamente proporcionales a los tiempos de viaje). De este análisis se observa que el efecto de la modificación del modelo es proporcional a los tiempos de viaje. Del total de los casos, se tiene un mayor porcentaje (que avala esta afirmación) para el enfoque continuo (87.5%), que para el enfoque discreto (50%), por lo que se recomienda el uso de la versión del modelo con el caso continuo. Finalmente, la consideración de los tiempos de viaje en el modelo de corto plazo, aumenta la variabilidad de las STC (mayor alteración hidrológica) para más casos en la versión continua del modelo, para los valores umbrales conocidos de las MHA. Esta conclusión final, convoca a la discusión de la incorporación de este factor en los modelos utilizados actualmente en el país, los que velan por una protección al medio ambiente.

El predespacho de unidades consiste en un problema de optimización en que se decide el estado de operación de cada unidad generadora presente en un sistema eléctrico, con el fin de asegurar el abastecimiento de la demanda, respetando los requerimientos de reserva, restricciones de operación de las centrales y minimizando los costos operativos de las unidades térmicas. Dentro de las centrales de generación, las unidades de ciclo combinado se caracterizan por acoplar dos ciclos termodinámicos: un ciclo a gas y otro a vapor. Estas unidades presentan una gran flexibilidad de operación debido a las distintas combinaciones en que pueden operar. Sin embargo, éstas introducen complicaciones en su modelación, lo que ha sido abordado en la literatura especializada mediante los modelos por modos de operación y por componentes. En este trabajo se desarrolla e implementa un modelo matemático lineal enteromixto de predespacho, con unidades térmicas de ciclo combinado representadas mediante sus componentes, incorporando diversas características que describen su operación. Se permite también la posibilidad de corregir parámetros que se vean afectados por la temperatura ambiente. Dentro de las restricciones de mayor relevancia para las unidades de ciclo combinado se encuentran aquellas que describen su evolución temporal. Para modelar esta característica se propone una modelación basada en la teoría de redes de flujo. Esta técnica consiste en plantear un grafo dirigido no estático, conocido también como una red de flujo a tiempo discreto, la cual se compone por arcos y nodos dependientes del tiempo. Esta formulación permite relacionar los parámetros de tiempos mínimos de operación; partidas en caliente, en tibio y en frío, y las transiciones entre combustibles. Se verifica la ventaja de este modelo a través de ejemplos simulados, construidos en base a datos reales del Sistema Interconectado del Norte Grande. El análisis de desempeño se efectúa a través de dos pruebas: valor de la función objetivo del problema relajado y tiempo de resolución del problema entero; comparando el modelo propuesto con otros dos modelos de la literatura. Los resultados indican que la formulación basada en una red de flujo a tiempo discreto logra mejores soluciones del problema relajado para el 60% de los casos implementados, obteniéndose mejoras de aproximadamente 1% a 4% en el valor de la función objetivo. También se logran reducir los tiempos de resolución del problema entero en un 30% o más para el 50% de los casos estudiados. Como trabajo futuro se propone extender la modelación basada en red de flujo y desarrollar una herramienta computacional adecuada a esta técnica de optimización. También se propone ampliar el modelo de predespacho a sistemas hidrotérmicos, incorporando además las congestiones y las pérdidas óhmicas de la red de transmisión.