Ingeniero Civil / La implementación de tecnologías de almacenamiento de energía en sistemas eléctricos es uno de los temas más relevantes actualmente en países donde se busca mejorar aumentar la diversificación de fuentes de energía y la seguridad del sistema eléctrico. Dentro de las alternativas de almacenamiento de energía eléctrica de la red, las centrales hidroeléctricas de acumulación por bombeo (CHAB) (pumped-storage hydropower plants) son las más utilizadas actualmente alrededor del mundo. Hasta la fecha, en Chile no se han implementado tecnologías de este tipo que permitan almacenar los excedentes de energía de la red. Además, en el país no existe el conocimiento suficiente sobre las características y los beneficios de las CHAB en los sistemas eléctricos. El presente trabajo de título tiene como objetivo principal, identificar y analizar los factores técnicos y económicos más relevantes que podrían condicionar la implementación de un proyecto de CHAB. Adicionalmente, tomando en cuenta las características del sector eléctrico chileno, se realiza una evaluación, cualitativa y no exhaustiva, de estos factores en el país. Se encontró que los factores más relevantes que condicionan en una primera instancia la implementación de un proyecto de CHAB tienen relación con las características del sistema eléctrico dónde se pretende implementar el proyecto, la disponibilidad de lugares de emplazamiento apropiados para la instalación de este tipo de centrales y las características del mercado eléctrico que harían rentable un proyecto de este tipo. Dentro de los factores que inciden en la determinación del lugar de emplazamiento de una CHAB se tienen: la disponibilidad del recurso hídrico, la existencia de un gran desnivel y una corta distancia entre ambos reservorios, la existencia de reservorios artificiales o naturales aptos para ser utilizados como reservorio inferior de la central, condiciones geológicas y geográficas adecuadas y una ubicación cercana a los centros de consumo y líneas de transmisión. En cuanto a los factores relacionados con las características del sistema eléctrico, están: la presencia de excedentes de energía en la red y características apropiadas de la curva de carga diaria y semanal. Finalmente, respecto a los factores económicos asociados al sistema eléctrico se desea que: existan grandes diferencias de precios entre horas valle y horas punta, y se realicen pagos por capacidad y por servicios complementarios. En cuánto a la evaluación, preliminar y no exhaustiva, de estos factores en el caso chileno, se encontró que el SIC presentaría, a priori, mejores características para considerar la implementación de un proyecto de CHAB, debido principalmente a la disponibilidad del recurso hídrico, a que existen lugares con potencial para implementar esta tecnología, a las características de la curva de carga en este sistema y a la matriz de generación que lo compone. Sin embargo, y a pesar de que el sector eléctrico chileno considera pagos por potencia firme y servicios complementarios, las limitaciones de la implementación de esta tecnología irían por el lado de los ingresos que recibirían los proyectos por concepto de venta de energía, debido a las diferencias de precios entre horas valle y horas punta observadas, ya que se tienen precios de energía en horas valle que son sólo un 15 25% más bajos que los precios de energía en horas punta, siendo que se recomienda que esta diferencia sea de un 25 30% (Deane et al, 2009). Otra limitación podría ir, también, por el lado de los altos valores de ciclo de eficiencia requeridos para estas centrales en el país (entre un 80 90%), siendo que actualmente en el mundo se logran ciclos de eficiencia para CHAB entre un 70 80% (Wilde, 2011).

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Las energías renovables penetran cada vez más en los sistemas de redes eléctricas interconectados, por lo que surgen nuevos retos para los operadores con el fin de mantener su fiabilidad en circunstancias inciertas. La natural intermitencia de las ENRC juega un papel importante ya que produce un incremento en los requerimientos de rampa del sistema y de reserva operativa, además de un mayor ciclaje de las unidades térmicas. En consecuencia, para integrar altos niveles de generación renovable de manera eficiente es necesario incluir tecnologías de almacenamiento que aumenten la flexibilidad del sistema. El objetivo de la presente tesis es evaluar el impacto en los costos globales de operación del Sistema Interconectado del Norte Grande y los ingresos percibidos por una central PHSS bajo un modelo de operación de arbitraje con diferentes tasas de penetración de ENRC. Se propuso una metodología para estudiar la sensibilidad del sistema ante diferentes tasas de penetración de ENRC-Capacidades de PHSS, entre las cuales se evaluaron 50MW, 100MW y 200MW, todas con una capacidad de almacenamiento de 8 horas. También se desarrolló un programa linear entero mixto que incorpora la operación de las centrales PHSS en un sistema tipo pool obligatorio. Además se introdujeron los modelos de las tecnologías existentes, haciendo énfasis en sus principales restricciones de operación, como máximos y mínimos técnicos; tiempos mínimos de operación y de apagado entre operación, costo de encendido y apagado, aportes máximos de reserva para el control primario y reserva en giro. Los resultados indican que el factor de penetración de ENRC es determinante para analizar los beneficios que prestan las PHSS. Se calcularon las curvas de ahorro de costos del sistema e ingresos percibidos, destacando que al superar una penetración del 20% de ENRC se hacen atractiva su implementación. Los ahorros en la operación alcanzan el 1.6%, 3.2% y 6.3% para las PHSS de 50 MW, 100MW y 200MW, respectivamente, al llegar a una penetración mayor del 30%. Adicionalmente se demuestra que las centrales PHSS pueden llegar a tener pérdidas en el momento que se aplana la curva de costos marginales debido a la eficiencia de esta tecnología. En el ámbito de la investigación futura se sugiere realizar un modelo que permita evaluar la operación de las PHSS bajo un despacho autónomo que maximice sus utilidades, dentro de un mercado tipo pool obligatorio.

Este trabalho propõe a análise de curtos-circuitos trifásicos em geradores de indução duplamente alimentados (DFIG Doubly Fed Induction Generator). Os DFIGs voltam à pauta de hidrogeração devido aos recentes investimentos em usinas hidrelétricas reversíveis com velocidade variáveis empregando DFIGs. Esta configuração de geração, que permite velocidade do eixo diferente da frequência da rede, também é uma opção para usinas hidrelétricas convencionais, trazendo benefícios em termos de eficiência energética, estabilidade e otimização do sistema de potência. As pesquisas envolvendo este tipo de gerador tem se concentrado em aplicações para energia eólica. Os estudos são focados em aspectos de controle e otimização da geração não havendo muitos trabalhos voltados ao estudo de curto-circuito do ponto de vista da máquina principalmente relativos à solução analítica. Os trabalhos voltados a transitórios tratam em geral de afundamentos de tensão na linha de transmissão e metodologias para manter o gerador conectado ao sistema durante estes transitórios. Na área de hidrogeração, na maioria dos casos, os estudos tratam de aspectos de controle, de otimização da operação e de ganhos para o sistema de potência quando do uso do DFIG. Assim, faz-se necessário aumentar a gama de estudos do comportamento desses geradores frente a transientes elétricos, mais especificamente a curtos-circuitos. Para o estudo de transientes do curto-circuito trifásico foi desenvolvida a solução analítica e um modelo baseado no proposto por Krause (KRAUSE, 2002) para simulação em Simulink do Matlab para comparação de resultados. / This work proposes the analysis of three-phase short circuit on doubly fed induction generator, DFIG. This generator is again a subject of study for hydrogeneration as per recent investments on variable-speed Pumped Storage Power Plants. This configuration, which allows asynchronous shaft speed, is also an alternative for conventional hydro power plants, providing improvements on energy efficiency and stability and optimization of power system. Current studies on this subject are focused on wind power applications, covering mostly control and generation optimization aspects while there aren\'t so many studies on short-circuit especially with analytical solution. Electrical transient studies are usually covering voltage dips or sags on transmission line and associated methods to maintain power unit connected to power system during such. The researches on hydro power are also about control, operational optimization and power system improvements when DFIGs are installed. Thus, it is necessary to contribute to research regarding behavior of such generators under electrical transient conditions, more specifically under short circuits. The analytical equation for three-phase short circuit was developed as well the electric model based on the one proposed by Krause (KRAUSE, 2002) for simulations on Simulink of Matlab.

Este trabalho propõe a análise de curtos-circuitos trifásicos em geradores de indução duplamente alimentados (DFIG Doubly Fed Induction Generator). Os DFIGs voltam à pauta de hidrogeração devido aos recentes investimentos em usinas hidrelétricas reversíveis com velocidade variáveis empregando DFIGs. Esta configuração de geração, que permite velocidade do eixo diferente da frequência da rede, também é uma opção para usinas hidrelétricas convencionais, trazendo benefícios em termos de eficiência energética, estabilidade e otimização do sistema de potência. As pesquisas envolvendo este tipo de gerador tem se concentrado em aplicações para energia eólica. Os estudos são focados em aspectos de controle e otimização da geração não havendo muitos trabalhos voltados ao estudo de curto-circuito do ponto de vista da máquina principalmente relativos à solução analítica. Os trabalhos voltados a transitórios tratam em geral de afundamentos de tensão na linha de transmissão e metodologias para manter o gerador conectado ao sistema durante estes transitórios. Na área de hidrogeração, na maioria dos casos, os estudos tratam de aspectos de controle, de otimização da operação e de ganhos para o sistema de potência quando do uso do DFIG. Assim, faz-se necessário aumentar a gama de estudos do comportamento desses geradores frente a transientes elétricos, mais especificamente a curtos-circuitos. Para o estudo de transientes do curto-circuito trifásico foi desenvolvida a solução analítica e um modelo baseado no proposto por Krause (KRAUSE, 2002) para simulação em Simulink do Matlab para comparação de resultados. / This work proposes the analysis of three-phase short circuit on doubly fed induction generator, DFIG. This generator is again a subject of study for hydrogeneration as per recent investments on variable-speed Pumped Storage Power Plants. This configuration, which allows asynchronous shaft speed, is also an alternative for conventional hydro power plants, providing improvements on energy efficiency and stability and optimization of power system. Current studies on this subject are focused on wind power applications, covering mostly control and generation optimization aspects while there aren\'t so many studies on short-circuit especially with analytical solution. Electrical transient studies are usually covering voltage dips or sags on transmission line and associated methods to maintain power unit connected to power system during such. The researches on hydro power are also about control, operational optimization and power system improvements when DFIGs are installed. Thus, it is necessary to contribute to research regarding behavior of such generators under electrical transient conditions, more specifically under short circuits. The analytical equation for three-phase short circuit was developed as well the electric model based on the one proposed by Krause (KRAUSE, 2002) for simulations on Simulink of Matlab.

D. Tech. Electrical Engineering. / Discusses the objective of this study is to develop an embedded generator-pump set topology using a wound rotor induction machine using the doubly fed induction generator concept, and a synchronous machine electrically and mechanically coupled to it, powering its magnetisation circuit. An adjustable pitch pump is also coupled to the generating set on the same shaft to provide an embedded generating-pumping solution that can provide co-incident generating ans pumping functions. The research objectives are as follows: to develop an overall plant topology, to identify plant attributes necessary for proper functionality of the proposed plant, to identify a pumping/generation topology that meets the required electro-mechanical and overall topological layout attribute requirements, to develop a primitive mathematical model of the plant that provides insight into fundamental physical behaviour of the plant, to investigate the stability issues arising from the electromechanical coupling of the two machines used, to establish controllability of the proposed configuration, to identify influencing factors on the stable operation of the proposed plant, to develop an overall system model for simulation. This also entails developing a suitable mathematical model for the variable pitch pump and to simulate the system steady state and dynamic behaviour.

[pt] A preocupação com a preservação ambiental e a sustentabilidade, cada vez mais presente em todos os aspectos da vida do mundo atual, conduz, mais e mais, à busca por fontes de energia limpa, renovável e minimamente agressivas ao meio ambiente. Dentro desse quadro, as usinas hidrelétricas reversíveis - UHRs - retornam mais uma vez como alternativa para matrizes de energia ao produzir energia incomparavelmente mais limpa e racional do que fontes tais como termoelétricas, muito utilizadas na regulação dos picos de consumo de energia. Entretanto, por sua operação peculiar, com ciclos curtos e frequentes de enchimento e rebaixamento do nível de água de seus lagos, o projeto para reservatórios das UHRs não está perfeitamente contemplado nos procedimentos normativos brasileiros usuais para o projeto de usinas hidrelétricas, carecendo de orientações adequadas para o tratamento das margens desses lagos, cuja instabilidade pode levar a problemas econômicos e ambientais bastante inconvenientes. Atento a este problema, este trabalho apresenta um resumo das principais metodologias de análise de estabilidade de taludes sujei-tos a rebaixamento rápido e identifica as potencialidades e limitações dos métodos de equilíbrio limite e numéricos usualmente utilizados, especialmente para o caso das UHRs. Foram apresentadas soluções de tratamento de taludes das margens de reservatórios para usinas reversíveis. O caso das rupturas às margens do reservatório da usina hidrelétrica de Santa Branca é apresentado para ilustrar a gravidade do problema e contribuiu para identificar as limitações para que os referidos métodos sejam efetivamente aplicados. A conclusão do trabalho é que estudos de viabilidade e de projeto de usinas hidrelétricas devem ser aprimorados para incluir as metodologias de estudo de estabilidade na condição de rebaixamento rápido mais atuais, especialmente para taludes marginais, cuja estabilidade condiciona a operação das UHRs, antevendo a possível introdução desta solução na matriz energética brasileira. Por fim, o presente trabalho apresenta recomendações para o aprimoramento dos estudos de viabilidade para a implantação de usinas hidrelétricas reversíveis, considerando o conteúdo dos manuais brasileiros. / [en] Concern about environmental preservation and sustainability, which is increa-singly present in all aspects of life currently, leads to the growth of a search for sources of energy that are clean, renewable and minimally aggressive for the environment. Within this framework, pumped storage power plants - PSPP - return once again as an alternative to energy matrices by producing incomparably cleaner and more rational energy than sources such as thermoelectric, widely used in the regulation of energy consumption peaks. However, due to its peculiar operation, with short and frequent cycles of filling and lowering of the water level of its lakes, the designs of PSPP reservoirs are not entirely covered by the usual Brazilian guidelines for design of hydroelectric plants, lacking appropriate guidance for the treatment of the margins from such reservoirs, whose destabilization can lead to very inconvenient economic and environmental issues. Regardful of this problem, this study presents a summary of the main methods of analysis of stability of slopes subjected to rapid drawdown and identifies the potentialities and limitations of the limit equilibrium methods and numerical methods usually used, especially for the case of PSPP. Slope stabilizations solutions for reservoir banks subjected to rapid drawdowns were presented. The case of the ruptures along the Santa Branca hydroelectric power plant reservoir is presented to illustrate the severity of the problem and has helped to identify the limitations for the effective application of these methods. The conclusion of this study is that feasibility studies and hydropower plant design should be improved in order to include more up-to-date methods of analysis of slope stability under rapid drawdown condition, especially for marginal slopes, which stability conditions the operation of PSPPs, foreseeing the possible introduction of this solution in the Brazilian energy matrix. Finally, this work presents recommendations for the improvement of feasibility studies for the implementation of PSPPs, considering the content of Brazilian guidelines.

[pt] Umas das principais características do Sistema Elétrico Brasileiro é a alta penetração de renováveis, principalmente da energia hidráulica, e com destaque para a expansão das fontes solar e eólica. No entanto, estas duas últimas têm como particularidades a inerente variabilidade e imprevisibilidade, mesmo no curto prazo. Para lidar com este problema, usinas hidrelétricas reversíveis (UHR) vem sendo consideradas com uma boa complementação às fontes intermitentes devido a sua capacidade de armazenamento de energia em períodos de baixa demanda. No Brasil, ainda não há UHRs em operação comercial, e este trabalho analisará a viabilidade econômico-financeira de sua implantação no país. Adicionalmente, será estudada a contratação ótima, sob o ponto de vista da UHR, em dois mercados, um de longo prazo e outro de curto prazo com preços de liquidação de diferenças (PLD) horários. / [en] One of the main characteristics of the Brazilian Electrical System is the high penetration of renewable energy, mainly hydroelectric power, and especially the expansion of solar and wind power sources. However, these last two sources have as their main characteristics the inherent variability and unpredictability, even in the short term. To deal with this issue, pumped-storage hydropower plants (UHR) are being considered as a good complementation to these intermittent sources, due to their energy storage capacity in low demand periods. In Brazil, there are still no UHRs in commercial operation, and this work will analyze the economic and financial viability of their implementation in the country. In addition, the optimal hiring, from the UHR s point of view, will be studied in two markets: long-term and short-term with hourly settlement prices (PLD).

Thèse (M.Sc.T.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2006. / La p. de t. porte en outre: Mémoire présenté à l'Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en science[s] de la terre. CaQCU Bibliogr.: f. 120-125. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

This paper focuses on the Double Fed Induction Machine in the Pumped Storage Power Plants. It includes listing of this plants in the world, where such a technology is used; principle of Double Fed Induction Machine, its usage with variable speed, advantages and disadvantages and also experience of its usage.