Robust optimization for the unit commitment of isolated RES-based microgrids in developing countries

As of today, universal access to electricity is still a great challenge in developing countries, where rural communities need to resort to sources with negative impact on environment, health and livelihood. Grid extension is often a too expensive and time-consuming investment in such contexts, thus isolated systems (to be eventually integrated into the national network) are considered to be the solution which could address the energy poverty issue in the most effective way. Hybrid microgrids, integrating conventional units and RES generators, are the most suitable option because they exploit resources which are locally available, clean, free and usually abundant in the area in which their installation is needed. Both the planning and the operation phase of these systems are made particularly challenging by the intermittent nature of RES production, whose forecast is always subject to a certain degree of error, and by the unpredictability of the demand behaviour and evolution in developing contexts. This work tackles this issue by developing a robust optimization unit commitment algorithm, accounting for the uncertainty related to these quantities and providing a solution which guarantees the satisfaction of the requested energy even in the worst possible condition, i.e. maximum demand and minimum RES production. A complete analysis of the reformulation procedure has been performed, in order to describe how to get a tractable counterpart by exploiting the strong duality theorem. The model has been applied to the case study of a missionary centre in Wau, South Sudan. It has been implemented in GAMS and the results have been compared with the output of the deterministic version of the algorithm. For a comprehensive analysis of the effectiveness of the plant throughout its whole lifetime, the LCOEs of the different scenarios have been computed.

Ad oggi, l'accesso universale all'elettricità è ancora una grande sfida nei paesi in via di sviluppo, dove le comunità rurali devono ricorrere a fonti che hanno un impatto negativo sull’ambiente, la salute e il sostentamento della popolazione. In tali contesti, l'estensione della rete elettrica è spesso un investimento troppo costoso e lungo da realizzare, pertanto i sistemi isolati (da integrare eventualmente in seguito nella rete nazionale) sono considerati il tipo di approccio in grado affrontare il problema della povertà energetica nel modo più efficace. Le microgrid ibride, che integrano unità convenzionali e generatori RES, sono l'opzione più adatta perché sfruttano risorse disponibili localmente, pulite, gratuite e solitamente abbondanti nell'area in cui è necessaria la loro installazione. Sia la pianificazione che la fase operativa di questi sistemi sono rese particolarmente complicate dalla natura intermittente della produzione delle RES, la cui previsione è sempre soggetta ad un certo grado di errore, e dall'imprevedibilità del comportamento della domanda e della sua evoluzione nei contesti in via di sviluppo. Il presente lavoro affronta questo tema sviluppando un’ottimizzazione robusta di un problema di unit commitment, tenendo conto dell'incertezza relativa alle quantità citate e fornendo una soluzione che garantisca il soddisfacimento della richiesta di energia anche nelle peggiori condizioni possibili, ossia la massima domanda e una produzione minima di RES. È stata eseguita un'analisi completa della procedura di riformulazione, al fine di descrivere come ottenere una controparte trattabile sfruttando il teorema della dualità forte. Il modello è stato applicato al caso studio di un centro missionario a Wau, nel Sud Sudan. È stato implementato in GAMS e i risultati sono stati confrontati con l'output della versione deterministica dell'algoritmo. Per un'analisi completa dell'efficacia dell’impianto lungo tutta la sua vita tecnica, sono stati calcolati gli LCOE dei diversi scenari.