Modeling and analysis of integrated natural gas and electricity networks

Abstract

Among the main challenges faced by current energy systems is the need to design analysis strategies that guarantee the continuity of the energy supply, while considering the increasingly random nature of electrical systems. Even though there is a fundamental trend in integrating renewable sources in electrical systems, in countries like Mexico and United States, this integration has also increased the dependence on the use of natural gas as a primary energy source for the production of electricity. The increasing use of gas-red generators has motivated research about how electricity and natural gas transmission networks interact between them. Within this context, a novel approach to the comprehensive formulation of the electricity and natural gas flows problem is proposed in this thesis, which allows addressing the interaction between both energy systems from a steady- and quasisteady-state viewpoint. Regarding the natural gas system, a new mathematical model is proposed to represent the steady state and transient state of the gas that flows through the pipelines. Unlike the models developed so far that approximate gas flows by an average value that depends on the pipeline length, the proposed model allows calculating the inlet and outlet gas flow in a pipeline. This proposal applies to different operating regimes of gas flows and any pressure level in natural gas transportation systems. On the other hand, the electrical system is modeled from a power flow model that considers the effect of primary frequency regulation on generation as well as the voltage and frequency dependence of the loads.

Entre los principales retos a los que se enfrentan los sistemas energéticos actuales se encuentra la necesidad de diseñar estrategias de análisis que garanticen la continuidad del suministro de energía considerando la naturaleza cada vez más aleatoria de los sistemas eléctricos. Aunque existe una tendencia fundamental en la integración de fuentes renovables en los sistemas eléctricos, en países como México o Estados Unidos, esta integración también ha incrementado la dependencia sobre el uso del gas natural como fuente de energía primaria para la producción de electricidad. El creciente uso de generadores a gas ha motivado la investigación sobre como las redes de transporte de electricidad y de gas natural interactúan entre sí. En este contexto, en esta tesis se propone un enfoque novedoso para la formulación integral del problema de flujos de electricidad y gas natural que permite abordar la interacción entre ambos sistemas energéticos desde un punto de vista de estado estacionario y cuasi estacionario. En cuanto al sistema de gas natural, se propone un nuevo modelo matemático para representar el estado estacionario y el estado transitorio del gas que fluye a través de los gasoductos. A diferencia de los modelos desarrollados hasta ahora, que aproximan los flujos de gas mediante un valor promedio que depende de la longitud del gasoducto, el modelo propuesto permite calcular el flujo de gas a la entrada y a la salida del gasoducto. Esta propuesta se aplica a diferentes regímenes de funcionamiento y a cualquier nivel de presión en los sistemas de transporte de gas natural. Por otro lado, el sistema eléctrico es modelado a partir de un modelo de flujo de potencia que considera el efecto de la regulación primaria de frecuencia en la generación, así como la dependencia de la tensión y la frecuencia de las cargas.