Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Eléctrico / El cambio climático que afecta a nuestro planeta ha sido un tema de debate en los últimos años en la comunidad científica. En el área de energía se han desarrollado diversas soluciones para afrontar este problema, entre las más destacadas están, la integración masiva de ERNC, políticas de contención de gases de efecto invernadero para centrales térmicas, la integración de pequeñas fuentes de generación de energía en un área de distribución (Generación Distribuida) y la incorporación de pequeños sistemas independientes como las micro-redes. El presente trabajo tiene por objetivo principal el desarrollo de un software de evaluación económica orientado en la implementación de diversos modelos de envejecimiento del sistema de almacenamiento de una micro-red, aplicados al controlador que determina el pre-despacho de las unidades de generación (EMS). Este software se comunica con el usuario mediante una interfaz gráfica, la cual se diseñó considerando un total control sobre las variables de simulación y los parámetros de la micro-red de estudio. La interfaz gráfica cumple además, la función de mostrar los resultados y estadísticas principales en la misma pantalla. El primer paso para el desarrollo de este software fue encontrar modelos de envejecimiento de baterías que se ajustaran a las necesidades del EMS. Estos modelos deben ser caracterizados por una cantidad pequeña de variables. El EMS plantea un problema de programación lineal entera mixta, por lo que las variables de los modelos encontrados deben ser fácilmente linealizadas. Se logró identificar tres modelos que responden a los requerimientos mencionados. Estos modelos son el de Drouilhet, el de Copetti y el de Bo Zhao. Posteriormente, se trabajó en integrar los modelos al EMS, en forma de restricciones en el problema de optimización. Antes de realizar las simulaciones pertinentes, se debió elegir una micro-red de pruebas que tuviera una extensa base de datos de operación, en este caso se seleccionó la micro-red de Huatacondo. Los parámetros fijos asociados a cada modelo de envejecimiento de las baterías se estimaron a partir de la base de datos antes mencionada y de la ficha técnica entregada por el fabricante. Estos parámetros fueron validados, encontrándose un error de un 6\% entre el valor de estado de salud propuesto por los modelos, y el valor esperado de estado de salud en función de las fechas de recambio de baterías encontradas en los informes realizados por el Centro de Energía. Para demostrar la versatilidad y eficacia de la herramienta, se efectuaron simulaciones en el corto y largo plazo, utilizando métodos de pre-despacho clásico y de horizonte deslizante. Los resultados de las simulaciones mostraron una reducción en los costos operacionales del orden del 38\% entre el EMS Base (sin considerar modelos de envejecimiento) y el EMS actualizado. Se observó una reducción en la actividad del banco de baterías, independiente del modelo implementado, la cual se reemplazó por una operación extendida de la unidad térmica. Algo similar se obtuvo con las simulaciones usando el método de pre-despacho con horizonte deslizante, los costos se redujeron en un 22\% con respecto al método clásico, esto debido a la disminución de la incertidumbre de las variables de entrada estimadas.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica. Ingeniero Civil Eléctrico / La creciente penetración de energías de carácter variable en los últimos años permite prever que los sistemas eléctricos de potencia requerirán la incorporación de nuevas tecnologías que flexibilicen su operación. Entre estas tecnologías, una de las más importantes son los sistemas de almacenamiento basados en baterías (BESS) los que han demostrado tener la capacidad de entregar un amplio abanico de servicios a los SEP. En particular, en la bibliografía se menciona que los BESS tienen capacidad de aportar a la estabilidad transitoria de ángulo de los SEP, pero pocos trabajos profundizan en esto. Más aún, la incorporación de BESS en el sistema abre el problema de localizarlos óptimamente, lo que ha sido abordado principalmente desde perspectivas de operación económica, reducción de pérdidas o regulación de tensión. En este trabajo se estudia como la interacción de los BESS con los sistemas eléctricos permite mejorar su desempeño dinámico en términos de estabilidad transitoria. Comprendido esto, se diseña una metodología de localización óptima de módulos BESS, considerando criterios de estabilidad transitoria. El estudio demuestra que el intercambio de potencia de los BESS permite elevar la capacidad de transferencia de potencia activa de las máquinas del sistema durante una perturbación. Esto reduce la aceleración de los ángulos de rotor durante y después de la contingencia, aumentando la capacidad del sistema de mantener una operación estable. Se estudia además que este aporte del BESS se puede ver manifestado en el criterio de las áreas iguales, que determina el margen de estabilidad del sistema como la diferencia entre el área desacelerante y el área acelerante. Este margen de estabilidad para sistemas de varias máquinas se puede determinar según el equivalente SIME del sistema (single machine equivalent) el cual condensa la dinámica de los ángulos de todas las máquinas en la dinámica de una máquina equivalente. Por otra parte, el problema de localización óptima es un problema discreto, combinatorial, no lineal, por lo que se utilizan algoritmos genéticos (GA) para explorar el espacio de soluciones factibles. Si bien los GA no garantizan la obtención de optimalidad global, se ha demostrado que tienen una notable capacidad para encontrar soluciones cercanas al óptimo en tiempos de computo reducidos. Para evaluar el desempeño dinámico de una distribución de BESS, el algoritmo evalúa el margen de estabilidad del equivalente SIME del sistema. La metodología se implementa en el IEEE 39 bus system, modificado para representar un escenario de alta penetración renovable. La metodología permite la obtención de una distribución de módulos BESS que mejora el desempeño transitorio del sistema, focalizando el aporte de los BESS en torno a aquellas contingencias con peores desempeños dinámicos. Se comprueba además la capacidad del GA de encontrar buenas soluciones en tiempos de cómputos razonables, requiriendo la exploración de una ínfima porción del espacio de soluciones factibles para encontrar una buena distribución. Se verifica también la pertinencia del margen de estabilidad del equivalente SIME como una buena medida del desempeño dinámico del sistema.

Doctora en Ingeniería Eléctrica / Little work has been done on Battery Health Management (BHM) for rotary-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) despite the fact that they have become increasingly popular. They are highly maneuverable and enable both safe and low-cost experimentation in mapping, navigation, and testing of control algorithms in three dimensions. Also, they can perform maneuvers that cannot be achieved by their fixed-wing counterparts (e.g., hover in place, and take off and land vertically (VTOL)). However, small-size aircraft typically have weight, size and cost constraints. Thus, as small-size UAVs become more prevalent, the need for computationally efficient software will increase. This thesis proposes a holistic framework for the design, implementation and experimental validation of Battery Health Management (BHM) systems in small-size rotatory-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) that allows to accurately (i) estimate the State of Charge (SOC), and (ii) predict the End of Discharge (EOD) time of lithium-polymer batteries in small-size multirotors by using a model-based prognosis architecture that is efficient and feasible to implement in low-cost hardware. The proposed framework includes a simplified battery model that incorporate the electric load dependence, temperature dependence and SOC dependence by using the concept of Artificial Evolution to estimate some of its parameters, along with a novel Outer Feedback Correction Loop (OFCL) during the estimation stage which adjusts the variance of the process noise to diminish bias in Bayesian state estimation and helps to compensate problems associated with incorrect initial conditions in a non-observable dynamic system. Also, it provides an aerodynamic-based characterization of future power consumption profiles and utilizes a new definition of probability of failure to mitigate the risk. A quadrotor has been used as the validation platform. This thesis is the first research effort towards BHM for small-size rotary-wing UAVs validated beyond numerical simulations, and that addresses the problem from an efficient approach for constrained computing platforms. A proper prognosis of the EOD time is not only necessary to verify if the mission goal(s) can be accomplished but also essential to aid in online decision-making activities such as fault mitigation and mission replanning. Therefore, the results of this work will allow making decisions about the flight and having enough confidence in those decisions so that the mission objectives can be optimally achieved. Given that: (i) the flight times in battery-powered UAVs are indeed short, (ii) most flight plans are highly conservatives due to they suffer from uncertainties in estimating the remaining charge, (iii) applications in urban zones are limited due to the risk associated with accidental battery run-down during the flight, and (iv) UAVs are ideally suited for long endurance applications; it hopes the results of this research become a significant contribution to the battery-powered rotary-wing UAVs field. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por CONICYT bajo la beca CONICYT-PCHA/Doctorado Nacional /2014-63140178