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Optimal Bidding Strategy of Wind–Hydrogen Integrated Energy Systems in Energy and Ramping Service Market

Este artículo propone una estrategia de licitación óptima de nivel bi-nivel para sistemas de energía integrados de eólica e hidrógeno que participan tanto en los mercados de energía como de rampa, la cual incorpora la eficiencia dinámica del electrolizador de membrana de intercambio protónico y la identidad de prosumidor dual del sistema para maximizar la rentabilidad y la estabilidad del mercado.

Autores originales: Peng Gao, Bingcheng Huang, Lirong Deng, Qiting Huang, Yi Sun, Mingming Chen, Cheng Qi

Publicado 2026-07-01

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CC BY 4.0

Autores originales: Peng Gao, Bingcheng Huang, Lirong Deng, Qiting Huang, Yi Sun, Mingming Chen, Cheng Qi

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina la red eléctrica como una pista de baile masiva y de alto riesgo. La música es la demanda de electricidad de hogares y negocios, y los bailarines son los generadores de energía. Durante mucho tiempo, la música fue constante, interpretada por generadores fiables como las plantas de carbón y gas. Pero ahora, hemos añadido un nuevo bailarín: la Energía Eólica.

El viento es un gran bailarín, pero es impredecible. A veces gira muy rápido (viento fuerte) y otras veces se detiene en seco (aire en calma). Esto hace que toda la pista de baile se tambalee, creando la necesidad de un "observador" que pueda acelerar o frenar instantáneamente para evitar que todos tropiecen. En el mundo de la energía, este observador se llama Rampas (Ramping).

Este artículo propone un bailarín superinteligente llamado Sistema de Energía Integrado Viento-Hidrógeno (WH-IES). Así es como funciona, desglosado en conceptos sencillos:

1. El Bailarín Inteligente: Viento + Hidrógeno + Baterías

Piensa en el WH-IES como un equipo de tres partes:

Las Turbinas Eólicas: Generan electricidad cuando sopla el viento.
El Tanque de Hidrógeno (La "Máquina del Tiempo"): Cuando el viento sopla con demasiada fuerza y hay demasiada electricidad, el sistema no la desperdicia. Utiliza ese exceso de energía para separar el agua en gas hidrógeno y almacenarlo en un tanque. Más tarde, cuando el viento se detiene y se necesita electricidad, convierte ese hidrógeno de nuevo en electricidad utilizando una celda de combustible.
La Pequeña Batería (El "Amortiguador"): Esta pequeña batería se sitúa entre el viento y el fabricante de hidrógeno. Su único trabajo es suavizar los baches para que el fabricante de hidrógeno no sea errático o ineficiente.

2. El Ingrediente Secreto: El Fabricante de Hidrógeno "Inteligente"

En el pasado, los científicos asumían que la máquina que fabrica hidrógeno (el electrolizador) era como una bombilla: o funcionaba al 100% o al 0%. Pensaban que era igualmente eficiente a cualquier velocidad.

El gran descubrimiento del artículo: El fabricante de hidrógeno es, en realidad, más parecido a un motor de coche.

Si conduces un coche a una velocidad muy baja con una marcha alta, el motor ratea y desperdicia gasolina.
Si conduces a la velocidad perfecta, es super eficiente.
Si lo fuerzas demasiado, se calienta y pierde eficiencia.

Este artículo construye un modelo que sabe que el fabricante de hidrógeno tiene un "punto óptimo". Le dice al sistema: "No hagas funcionar la máquina a una velocidad baja e ineficiente solo para estar listo; apágala por completo si el precio es bajo, o hazla funcionar a la velocidad perfecta para ahorrar dinero". Esto ahorra mucha energía.

3. La Doble Vida: Comprador y Vendedor

Esta es la parte más creativa del artículo. Normalmente, un parque eólico es solo un comprador en el "Mercado de Rampas". Debido a que el viento es impredecible, el parque eólico tiene que pagar a otras centrales eléctricas para que estén listas para corregir sus errores.

Pero este artículo dice que el sistema Viento-Hidrógeno es un Prosumidor (un Productor + Consumidor).

Como Consumidor: Compra servicios de rampa cuando el viento es demasiado salvaje para que su propio tanque de hidrógeno pueda manejarlo.
Como Productor: ¡Porque tiene un tanque de hidrógeno, puede vender servicios de rampa a la red! Puede decir: "Puedo acelerar o frenar mi producción de hidrógeno instantáneamente para ayudar a que la red se mantenga estable".

Es como una persona que normalmente compra un seguro contra accidentes de coche, pero también trabaja como conductor profesional que recibe un pago por ayudar a otros a evitar accidentes.

4. La Estrategia: Jugando el Juego del Mercado

El artículo utiliza un "Juego de Dos Niveles" para determinar la mejor forma de pujar (ofrecer) electricidad y servicios de rampa:

Nivel 1 (El WH-IES): "¿Cuánto debo vender? ¿Cuánto hidrógeno debo fabricar? Quiero ganar la mayor cantidad de dinero".
Nivel 2 (El Operador del Mercado): "De acuerdo, tengo ofertas de todos. Elegiré las más baratas y fiables para mantener las luces encendidas".

El sistema juega constantemente este juego contra sí mismo para encontrar el equilibrio perfecto. No se limita a adivinar el precio; calcula cómo sus propias acciones cambiarán el precio del mercado.

5. Los Resultados: Por Qué Importa

Los autores probaron esto en una simulación por ordenador de una red eléctrica (un sistema de 6 barras). Esto es lo que encontraron:

Más Dinero: Al tratar al fabricante de hidrógeno como un "motor de coche inteligente" (eficiencia dinámica) y actuar tanto como comprador como vendedor, el sistema obtuvo más beneficios que los sistemas que asumían que la máquina era siempre igual de eficiente o que solo actuaban como compradores.
Menos Desperdicio: El sistema desperdició menos energía eólica porque sabía exactamente cuándo fabricar hidrógeno de manera eficiente.
Red Estable: Al vender servicios de rampa, el sistema Viento-Hidrógeno ayudó a la red a evitar "caídas". Alivió la presión sobre las centrales tradicionales de carbón y gas, manteniendo la pista de baile estable.
Más Barato para Todos: Debido a que el sistema Viento-Hidrógeno ayudó a estabilizar la red, el precio de los "servicios de rampa" (el coste de mantener la red estable) en realidad bajó para todos los demás.

Resumen

Este artículo presenta una estrategia para que una planta de energía de Viento-Hidrógeno deje de ser un invitado pasivo e impredecible en la fiesta de la energía y se convierta en un anfitrión inteligente y rentable. Al comprender que su máquina de fabricación de hidrógeno funciona mejor a velocidades específicas y al darse cuenta de que puede vender estabilidad a la red, este sistema ahorra dinero, reduce el desperdicio y mantiene las luces encendidas de forma más fiable.

Resumen Técnico: Estrategia de Licitación Óptima de Sistemas de Energía Integrados Viento-Hidrógeno en el Mercado de Energía y Servicios de Rampas

1. Planteamiento del Problema

La rápida expansión de la energía eólica ha aumentado significativamente la variabilidad e incertidumbre de las cargas netas del sistema de potencia, creando una necesidad urgente de mejorar la flexibilidad del sistema. Aunque los Sistemas de Energía Integrados Viento-Hidrógeno (WH-IES, por sus siglas en inglés), integrados con parques eólicos, ofrecen una solución prometedora para el almacenamiento de larga duración y el rampa flexible, la literatura existente enfrenta tres limitaciones principales:

Modelado Físico Inexacto: Muchos estudios asumen una eficiencia de producción de hidrógeno constante para los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEMEL), ignorando el impacto de la potencia de entrada fluctuante y las operaciones frecuentes de arranque-parada en el rendimiento real del hidrógeno.
Caracterización Incompleta del Mercado: La investigación existente a menudo trata a los WH-IES únicamente como consumidores de servicios de rampa o como generadores flexibles, fallando al no modelar sistemáticamente su identidad dual de "prosumidor" en los mercados de rampa (es decir, generando simultáneamente demanda de rampa debido a las fluctuaciones del viento y proporcionando capacidad de rampa mediante el HES).
Interacción de Mercado Simplificada: Las estrategias de licitación actuales suelen tratar a los WH-IES como tomadores de precios con precios exógenos, ignorando el impacto estratégico de las licitaciones a gran escala de los WH-IES en los precios de liquidación del mercado y los resulting bucles de retroalimentación.

Este artículo aborda estas brechas proponiendo una estrategia de licitación óptima para los WH-IES que participan en los mercados conjuntos de energía y servicios de rampa, incorporando la eficiencia dinámica del electrolizador y un modelo de mercado de prosumidor integral.

2. Metodología

2.1 Modelado Físico de WH-IES

Los autores desarrollan un modelo físico detallado del WH-IES, que comprende turbinas eólicas (WT), PEMEL, tanques de hidrógeno (HT), celdas de combustible (FC) y sistemas de almacenamiento de energía por batería (BES).

Eficiencia Dinámica del PEMEL: A diferencia de los modelos convencionales, este trabajo incorpora un modelo de eficiencia dinámica donde la eficiencia de la producción de hidrógeno varía con la potencia de entrada. La curva de eficiencia no lineal se aproxima utilizando un método de linealización por tramos para mantener la tractabilidad computacional dentro de un marco de Programación Lineal Entera Mixta (MILP). Se integra un BES para estabilizar las condiciones de operación del electrolizador y evitar operaciones de baja carga ineficientes.
Restricciones de Componentes: El modelo incluye restricciones para el flujo de potencia, la dinámica del almacenamiento de hidrógeno (considerando la pérdida por autoconsumo y los límites de carga/descarga) y los límites de rampa para todos los componentes.

2.2 Caracterización de Rampa Orientada al Mercado

El artículo modela sistemáticamente el WH-IES como un prosumidor en el mercado de rampa:

Demanda de Rampa: Calculada basándose en las variaciones deterministas del pronóstico del viento y los errores de pronóstico estocásticos, lo que requiere que el sistema potencialmente compre productos de Rampa Flexible Ascendente (FRU) y Descendente (FRD).
Capacidad de Rampa: Determinada por el estado operativo del HES (estado de carga/descarga, niveles de hidrógeno) y los límites de los dispositivos.
Identidad Dual: El modelo calcula explícitamente la demanda neta de rampa externa. Si la capacidad interna del HES es insuficiente, el sistema compra servicios; si existe exceso de capacidad, vende servicios al mercado.

2.3 Marco de Optimización de Doble Nivel

Se establece un modelo de optimización de doble nivel para simular la interacción estratégica entre el WH-IES y el Operador del Sistema Independiente (ISO):

Nivel Superior (WH-IES): Maximiza la utilidad total (ingresos del mercado de energía + ingresos del mercado de rampa - costos operativos - costos de servicios de rampa) optimizando la distribución interna y las estrategias de licitación.
Nivel Inferior (ISO): Minimiza los costos totales de operación del sistema (costos de generación y de servicios de rampa) sujetos al equilibrio de potencia, la topología de la red (flujo de potencia DC) y las restricciones operativas de todos los participantes del mercado.
Enfoque de Solución: El problema de doble nivel se reformula como un Programa Matemático con Restricciones de Equilibrio (MPEC). Al aplicar las condiciones de Karush–Kuhn–Tucker (KKT) y la teoría de la dualidad fuerte, el problema de liquidación del mercado de nivel inferior se transforma en un conjunto de restricciones equivalentes, permitiendo que todo el problema se resuelva de manera eficiente.

3. Contribuciones Clave

El artículo reclama tres contribuciones primarias:

Integración de la Eficiencia Dinámica: La incorporación de la eficiencia de producción de hidrógeno dinámica de los PEMEL en las estrategias de licitación. Esto mejora la precisión de la estimación del estado del hidrógeno y permite al sistema evitar regiones de operación ineficientes, mejorando el desempeño económico.
Modelado de Identidad Dual de Prosumidor: Una caracterización sistemática de los WH-IES como tanto una fuente de demanda de rampa como un proveedor de servicios de rampa. Esto permite un marco unificado para optimizar el compromiso entre la compra y la venta de capacidad de rampa.
Marco de Licitación Estratégica: El desarrollo de una estrategia de licitación de doble nivel para los mercados conjuntos de energía y rampa. El uso de la reformulación MPEC asegura que se capture el impacto estratégico de las licitaciones de los WH-IES en los precios de liquidación del mercado, ofreciendo una herramienta de toma de decisiones más realista que los modelos de tomadores de precios.

4. Resultados del Caso de Estudio

La estrategia propuesta fue validada utilizando un sistema IEEE de 6 barras modificado con tres casos comparativos:

Caso 1: Participación en el mercado conjunto con eficiencia de PEMEL constante.
Caso 2: Participación en el mercado conjunto considerando solo el rol de consumidor en el mercado de rampa.
Caso 3: El método propuesto (eficiencia dinámica + rol de prosumidor).

Hallazgos Clave:

Desempeño Económico: El Caso 3 logró la mayor utilidad diaria ($34,888.43), superando al Caso 1 ($34,679.62) y al Caso 2 ($34,090.84).
Impacto de la Eficiencia Dinámica: En comparación con el Caso 1, considerar la eficiencia dinámica (Caso 3) redujo los costos de producción de hidrógeno al evitar puntos de operación de baja eficiencia. Esto resultó en un aumento del 12.2% en los ingresos por Productos de Rampa Flexible (FRP) al preservar el margen de potencia para los servicios de rampa sin sacrificar la eficiencia energética.
Impacto del Prosumidor: En comparación con el Caso 2, el modelo de prosumidor (Caso 3) redujo significativamente los costos de servicio de rampa (de $1,749.04 a$ 117.76). Al proporcionar servicios de rampa internamente, el WH-IES redujo su dependencia de generadores térmicos costosos, disminuyó los costos de recortes de viento y estabilizó los precios del mercado.
Estabilidad del Mercado: La participación de doble rol alivió la presión de rampa sobre las unidades térmicas durante los períodos pico, evitando picos bruscos en los precios de los productos de rampa (por ejemplo, los precios de FRD se mantuvieron estables en el Caso 3 en comparación con los aumentos en el Caso 2).

5. Significado y Reivindicaciones

El artículo afirma que el marco de licitación de doble nivel propuesto proporciona una referencia teórica para la operación orientada al mercado de los sistemas acoplados viento-hidrógeno a gran escala. Específicamente, sostiene que:

Precisión: El modelado de la eficiencia dinámica del electrolizador evita la sobreestimación de la producción de hidrógeno que encuentran los modelos de eficiencia fija, lo que conduce a una programación más confiable.
Flexibilidad: Tratar al WH-IES como un prosumidor permite que el sistema transicione de ser un centro de costos pasivo a un generador de ingresos activo, reduciendo los costos de rampa de todo el sistema y extendiendo la vida útil de los equipos del HES al suavizar los ciclos de carga/descarga.
Interacción de Mercado: El marco captura con éxito las interacciones de teoría de juegos entre el WH-IES y el mercado eléctrico, permitiendo una toma de decisiones óptima bajo condiciones de equilibrio de mercado.

Los autores concluyen que su enfoque coordina eficazmente el desempeño económico del WH-IES con la demanda de energía y servicios de rampa de la red, aunque señalan que trabajos futuros explorarán el modelado de incertidumbre (por ejemplo, optimización robusta de distribución) y mecanismos de acoplamiento multienergía que involucren tuberías de hidrógeno.