El objetivo general del presente trabajo de título es desarrollar los requerimientos tecnoeconómicos de un nuevo sistema de gestión de la energía, para incorporarlo a la oferta de la Compañía Americana de Multiservicios (Cam LTDA.); se espera ilustrar las necesidades, caracterizar el mercado y mostrar los argumentos necesarios, de modo que esta opción se evalúe en los comités correspondientes. Además, se desea enmarcar esta tecnología dentro del nuevo paradigma que plantea la evolución de las redes eléctricas actuales hacia redes inteligentes. Cam LTDA. es una empresa experta en implementar proyectos de gestión energética, que apuntan a un segmento del mercado que considera grandes empresas, por ejemplo, distribuidoras de energía eléctrica. Para abarcar a clientes menores, como cooperativas y mediana empresa, se requiere de un producto, de precio más accesible a los presupuestos que manejan estas organizaciones y que se perfile como un servicio que sea una herramienta diseñada para entrar en un ciclo de mejoramiento continuo, en la administración de los recursos energéticos. Se determinaron los requerimientos técnicos a incorporar en el software de EMH, tomando como base la actual propuesta que oferta Cam LTDA. Junto con esto, se realizó una evaluación económica del sistema, comparándolo con la inversión requerida para implementar el actual producto de Cam LTDA, mediante el análisis del Valor Actual Neto del proyecto. Al comparar las opciones, el sistema de gestión de la energía en base a medidores EMH entrega resultados favorables. Con esta evaluación, más los beneficios que entregaría el servicio, los clientes pueden justificar el costo que implica implementar este sistema en sus instalaciones. Sobre la base de estas propuestas, se concluye que se presenta una oportunidad comercial, que consiste en abordar a estos clientes, incorporando servicios y productos que entreguen una alternativa de altas características técnicas y que sea competitiva, para ser un referente de innovación con altos estándares de calidad para las grandes y medianas empresas latinoamericanas. El futuro desafío es incorporar esta nueva tecnología, la cual ya está siendo implementada en el sector de las generadoras, transmisoras y distribuidoras, en los otros actores del mercado eléctrico, es decir los consumidores industriales, comerciales y organizacionales. La evolución en Chile de las redes inteligentes sigue este camino, y en un futuro llegarán hasta los consumidores residenciales. Masificar los sistemas de monitoreo y gestión de la energía es un paso más que los actores del sector eléctrico deben dar, pues constituye parte fundamental para la implementación de las redes inteligentes, las cuales se perfilan como un nuevo paradigma para el mercado energético.

Actualmente existen en Chile numerosos proyectos de generación eólica en distintas etapas de desarrollo. La mayoría de éstos se conectarán al Sistema Interconectado Central (SIC), y en particular en el norte del país, por lo que se espera que en el mediano plazo exista una gran cantidad de generación eólica en dicha zona. Dada la naturaleza estocástica del recurso viento, estos parques eólicos inyectarían una potencia variable al sistema de transmisión, lo que podría producir fluctuaciones de tensión en las barras del sistema de transmisión pudiendo, eventualmente, salir de los rangos permitidos. De esta problemática surge el objetivo principal de esta investigación, que es disponer de una estrategia para efectuar el control de tensión de un sistema eléctrico con las características propias del SIC, en el que puede existir una elevada penetración de generación eólica. En este estudio, primeramente se identificaron las fluctuaciones de tensión esperadas para las distintas tecnologías de generación eólica actualmente utilizadas. Se observó que los parques eólicos formados por aerogeneradores de velocidad fija es la tecnología de la que se espera mayores fluctuaciones de tensión. A un sistema eléctrico de ensayo base se le realizaron pequeñas modificaciones, obteniéndose distintas topologías, y a su vez, para cada una de éstas se construyó sistemas de distintos niveles de tensión: 66, 110 y 220 [kV]. Mediante la herramienta de flujos de potencia, en cada uno de estos sistemas se buscó la generación eólica tal que ocasionara problemas de tensión en las barras del sistema. Se propuso una estrategia de control de tensión que solucionara dicho problema. Se construyó un modelo de la zona norte del SIC, desde la barra Quillota 220 [kV] hasta la barra Paposo 220 [kV], en el que se probaron con éxito las estrategias de control de tensión propuestas en el sistema eléctrico de ensayo. Finalmente, se determina que la inclusión masiva de generación eólica en un sistema eléctrico puede traer problemas de subtensión en el punto de conexión (PCC) de los parques eólicos y/o en barras aledañas a los parques eólicos. Se propone para esto una estrategia de control de tensión que mitiga las fluctuaciones lentas de tensión. Esta estrategia consiste en que a medida que aumenta la penetración eólica en el sistema; a) barras aledañas (centrales y elementos de compensación reactiva) aporten reactivos a los parques eólico del sistema eléctrico, cuando es insuficiente; b) elevar el tap de los transformadores de conexión de los parques eólicos; c) añadir compensación reactiva en barras aledañas a los parques eólicos y d) Añadir compensación reactiva en los PCC de los parques eólicos. Por lo demás, c) y d) pueden ser excluyentes o se puede dar una combinación de ambas.

Magíster en Gestión de Operaciones. Ingeniero Civil Industrial / El presente trabajo, trata sobre metodologías de resolución de problemas estocásticos multi-etapa. El objetivo es comparar el algoritmo Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP), con la metodología Progressive Hedging (PH). La diferencia entre metodologías radica en que SDDP corresponde a un algoritmo de descomposición vertical o por períodos, mientras que PH representa una metodología de descomposición horizontal o por escenarios. El estudio se desarrolla en el contexto eléctrico chileno, caracterizado por una red eléctrica compuesta por generadores, demandas y líneas de transmisión. Además de una red hídrica; en la que se modelan todos los generadores hidroeléctricos, flujos hídricos y capacidades de almacenamiento. Para realizar las pruebas, se utilizan instancias de distintos tamaños y horizontes de planificación, bajo el supuesto uninodal (todas las centrales eléctricas y demandas, conectadas a un mismo nodo) y multinodal. Las metodologías fueron testeadas mediante un árbol en común. Los resultados muestran que en general, SDDP presenta tiempos de ejecución mucho menores, atribuibles principalmente al lenguaje de ejecución (Fortran vs Python). En cuanto a la exactitud de la solución, PH muestra un mejor desempeño, con diferencias poco significantes. Un segundo estudio, es la confrontación de generadores de árboles de escenarios. Se compara la metodología actual (nombrada PLP), con dos generadores desarrollados íntegramente en esta investigación. Estas metodologías se basan en probabilidades condicionales por período, y llevan el nombre de Synth y NSG, que corresponden a generación de escenarios sintéticos e históricos, respectivamente. Una de las ventajas de estas metodologías es que consideran tanto la correlación espacial, como la correlación temporal. Bajo escenarios extremos, Synth muestra los menores costos operativos en un 60% de las pruebas realizadas, obteniendo costos comparativos hasta un 7% menores. Por otro lado, bajo escenarios promedios, existe un desempeño muy parecido entre los generadores Synth y PLP, donde PLP muestra mayores ahorros comparativos.

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El objetivo de este trabajo de título, es exponer los criterios y pautas generales para llevar a cabo un proyecto de línea de transmisión de alta tensión y la determinación de los parámetros para el diseño de la misma. Al respecto, en este trabajo de título se ha volcado la experiencia del memorista, obtenida a través de su actividad profesional en empresas de servicios de ingeniería, de reconocido prestigio en el ámbito de sistemas de transmisión de alta tensión. Para cumplir con los objetivos, se ha dividido el trabajo de título en dos partes. La primera parte consiste en la presentación de técnicas para la determinación de los parámetros básicos para el diseño de una línea de transmisión, como son la determinación del conductor y cable de guardia, dimensionamiento de la aislación, las solicitaciones sobre el conductor, parámetros de diseño de estructuras, ubicación de las estructuras, etc. Adicionalmente, se revisan las técnicas de ingeniería y tecnologías que permiten repotenciar una línea de transmisión existente, con el objeto de aumentar su capacidad de transmisión de potencia. Este último tema adquiere gran relevancia si se considera el aumento sostenido de la demanda y las dificultades que se producen para obtener nuevas servidumbres de paso y a la carencia de corredores de líneas o espacio físico para implementarlas sin mayores restricciones. La segunda parte, aborda los aspectos más importantes del Proyecto de Ingeniería de una Línea de Transmisión, necesarios para llegar a concretar físicamente la construcción de la misma. Con este aporte, se pretende aclarar y revisar las etapas señaladas en la normativa técnica y legal, tales como aspectos reglamentarios de proyectos eléctricos en alta tensión (Normativa Eléctrica Chilena), la Concesión Eléctrica y la Servidumbre, el Estudio de Impacto Ambiental, la evaluación de los costos de inversión, el cronograma de actividades típico para este tipo de proyectos y aspectos técnicos a considerar en las especificaciones de materiales, equipos y en los documentos para la licitación de suministros y construcción de la línea. Las etapas aquí planteadas, relacionadas con los aspectos de diseño y de proyecto de una línea de transmisión, permitirán esclarecer y guiar las labores que deba realizar el ingeniero que incursione en un proyecto de línea de transmisión de alta tensión en Chile.

Ingeniero Civil Electricista / La presente memoria tiene por objetivo desarrollar una herramienta que permita estimar de forma simple y relativamente rápida el costo de un proyecto de línea de transmisión, dejando registrados en este documento los planteamientos matemáticos del problema de optimización que se modela, y los códigos computacionales usados en la herramienta. Para realizar la estimación se toman supuestos como, por ejemplo, el hecho de que la topografía de cada tramo de suspensión es similar a los demás, permitiendo repetir el tramo estudiado a lo largo de la ruta; además se supone que la línea no presenta singularidades en su trazado. Sirven al programa principal diversas rutinas computacionales menores que solucionan problemas geométricos, equilibrios térmicos en los conductores, cambios de estados mecánicos, además de otras rutinas específicas. En relación al modelo de cambio de estado, cabe mencionar que, para realizar estudios básicos de líneas de transmisión se suele ocupar el método del ruling span. Sin embargo, éste solo arroja resultados correctos para terrenos planos. En esta memoria, el modelo de cambio de estado utilizado es adecuado para todo tipo de terrenos y resulta ser una de las funciones más importantes dentro de la herramienta principal, ya que permite verificar las restricciones de distancias mínimas a tierra, las tensiones mecánicas máximas sobre los conductores en las condiciones climáticas más adversas, etc. En la memoria se valida el método de cambios de estado programado con el método del ruling span sobre un terreno plano bajo hipótesis idénticas arrojando un error de 0.035%. La herramienta desarrollada es probada mediante un análisis de sensibilidad para estudiar su comportamiento. Sobre el caso base (terreno plano, sin carga de hielo) las pruebas de sensibilidad corresponden a: terreno irregular, disminución del factor de seguridad de las torres y manguito de hielo de 20 mm2 de espesor alrededor del conductor. Se muestra cómo, cambiando sólo la forma del terreno, la herramienta desplaza 25 m la posición de una torre para salvar las distancias de seguridad; cuando se aumenta la capacidad de las torres (disminuyendo su factor de seguridad) se logra usar conductores de mayor sección disminuyendo las pérdidas y el costo en valor actual del proyecto; y cuando se tiene carga de hielo las pérdidas aumentan un 10% y se debe usar un conductor de menor sección. Como trabajo futuro se propone el estudio del uso de algoritmos de inteligencia computacional para explorar el espacio de soluciones factibles, y también se propone modificar la aplicación simplificando el modelo mecánico de cambio de estados en caso de que se requieran estudiar proyectos en terrenos exclusivamente planos.

Ingeniero Civil Eléctrico / El presente estudio tiene por objetivo cuantificar los efectos asociados a la operación en ciclaje de las unidades convencionales de generación dada la inminente inyección de energías renovables no convencionales (ERNC), en particular energía solar fotovoltaica (FV), en el sistema eléctrico chileno. Las herramientas de simulación de predespacho con representación detallada de los aportes de energía variable y restricciones técnicas de fuentes convencionales permiten estudiar el efecto en costos asociados a mantenimientos de la penetración de energía solar FV. Para esto se realizan simulaciones de operación a mínimo costo de corto plazo, unit commitment, del sistema eléctrico chileno, en representación uninodal, para diez escenarios distintos. Estos cubren situaciones previas a la interconexión (2015, 2018 y 2019), escenarios posteriores a la interconexión (2025 para dos planes de obra diferentes y cuatro escenarios de penetración solar) y un escenario 2025 sin interconexión. Para cada escenario propuesto se realizan cálculos asociados a la operación de las unidades térmicas de generación, en base a grupos de estudio, tales como: número de partidas, número de horas de operación, razón de ciclaje y seguimiento de carga. Luego se realiza un análisis de sensibilidad de la función de costo de manteniemiento, con el fin de entender la variabilidad en el número de horas de operación equivalente, los costos variables no combustibles (CVNC) y los costos asociados a mantenimiento. A lo largo del presente estudio se demuestra que la operación de las unidades de ciclo combinado y gas natural licuado (GNL) se hace cada vez más variable a medida que se inyecta energía solar FV en la matriz. Lo anterior se ve reflejado en el número de ciclos de encendido/apagado y seguimientos de carga realizado por las unidades, así como también en la disminución en su colocación de energía y número de horas de operación. Sin embargo, debido a la disminución en las horas de operación y energía generada de las unidades de ciclo combinado y GNL es que la cuantificación de este efecto no es directa. Se obtiene que los CVNC del grupo de estudio de unidades de ciclo combinado y GNL, constituido por 27 unidades que en conjunto alcanzan los 4.511 [MW] de potencia instalada, sufren un aumento de hasta 9 [USD/MWh] dependiendo del nivel de penetración FV y la función de costo de manteniemiento utilizada. Por otra parte, el análisis permite determinar que el aumento de los CVNC fluctúa entre los 0,05 y los 0,11 [USD/MWh] por cada 100 [MW] de energía solar FV agregados al parque generador. Asimismo, se demuestra que los costos asociados a mantenimiento del mismo grupo de estudio sufren un aumento superior a los 2.000.000 [USD] anuales dado el aumento en la frecuencia de los mantenimientos realizados por las unidades. Por último, se exponen recomendaciones estudiadas para mitigar los efectos asociados a la operación en ciclaje tales como la interconexión de sistemas, la presencia de energía hidroeléctrica en la matriz o la tecnología de concentración solar de potencia (CSP). De igual manera, como trabajo futuro se plantea el desafío de endogenizar la relación entre los costos de mantenimiento y la operación en ciclaje de las unidades térmicas de generación en el modelo de simulación.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniero Civil Eléctrico / El dinamismo asociado al desarrollo de la generación Chile y el incremento constante de la demanda, ponen un acento especial en la tarea de planificar la expansión del sistema de transmisión, dado que las redes eléctricas centrales (SIC y SING) deben ser capaces de cumplir con su tarea de transportar la energía desde donde se producirá hasta donde se consumirá en el horizonte planificado, de forma técnica y económicamente eficiente. Entendiendo que las inversiones en el ámbito de la red principal de transmisión son fuertes y los esfuerzos requeridos para la obtención de servidumbres y las consiguientes compensaciones son complejos, en este trabajo se propone la inclusión de equipos FACTS en la planificación del sistema, de modo que esta inversión sea más flexible e implique un menor costo en elementos tradicionales de expansión (líneas y transformadores). La solución del problema de planificación de la expansión para un horizonte fijo (problema estático) se obtiene mediante un algoritmo genético propuesto sobre un modelo lineal de la red eléctrica en corriente continua con re-despacho de carga y que considera pérdidas eléctricas. La validación de este algoritmo se hace por medio de dos sistemas de pequeño y mediano tamaño ampliamente estudiados en la bibliografía internacional. Finalmente, se aplica el algoritmo propuesto sobre un modelo de 50 barras del Sistema Interconectado Central proyectado en demanda y generación al año 2022. Los resultados obtenidos tanto en la validación como en la aplicación sobre el modelo del SIC muestran la efectividad del algoritmo para encontrar una solución óptima (conocida en el primer caso), y que la utilización de equipos FACTS permite determinar planes de inversión en líneas, e incluso total, de menor costo, tanto en el caso con cómo sin pérdidas. En este sentido, el principal aporte de este trabajo es la integración de las pérdidas y equipos FACTS a los elementos y modelos tradicionales del problema de planificación de la expansión del sistema de transmisión.

Magíster en Ingeniería de Redes de Comunicaciones / Las sociedades modernas son cada vez más dependientes de los suministros de electricidad confiable y segura que aportan al crecimiento económico y la prosperidad de la comunidad. En Chile y en el resto del mundo se piensa contar con varias micro-redes que pueden estar aisladas o pueden apoyar la labor de las plantas eléctricas, llevando a cabo la generación y administración eficiente de energía para determinadas zonas y/o poblaciones distantes. Para la construcción de tales redes es necesario poseer elementos de almacenamiento como baterías y elementos de generación de energía renovables, ya que estos desaceleran el consumo de combustibles fósiles. Para un control eficiente de los elementos de la micro-red existe un considerable número de datos que se deben manejar, tabular y calcular, estos son una herramienta clave en el momento de tomar distintas acciones de generación, almacenamiento o distribución de la energía eléctrica en la red eléctrica. Para el buen manejo de parámetros en la micro-red existen estándares que permiten tener a la mano los datos importantes en tiempo real, ofreciendo velocidad, confiabilidad, interconectividad y un sin fin de buenas características para que de este modo se transporten y gestionen los datos de la mejor manera posible. Uno de los estándares usados en la actualidad que cumple con estas características es el servicio de distribución de datos (DDS, Data Distribution Service) de Object Management Group (OMG). La implementación de este estándar involucra equipos de comunicación configurados con DDS para tener un intercambio de datos entre los distintos elementos de la red. Para el desarrollo de este proyecto se utilizará la versión de software DDS que ofrece la empresa RTI bajo una licencia académica gratuita de un año. Si se desea llevarlo a aplicaciones comerciales la licencia como tal tiene costo. El estándar ha sido implementado a nivel mundial, ya que es rápido, confiable y se pueden configurar de distintas formas para lograr la mayor eficiencia en el intercambio de datos de control y medición. Debido a las buenas características de este estándar, en esta oportunidad se implementará la instalación, configuración y pruebas de este en una red de comunicación compuesta por Single-board Computers (SBC), que son computadores económicos, rápidos, confiables y de fácil adquisición en el mercado. Una vez configurado el estándar de comunicación DDS se pondrá a prueba con la transmisión de la frecuencia de línea, una variable importante en el control y manejo de las micro-redes. Esta prueba de concepto demuestra que se puede recolectar cualquier parámetro de importancia y distribuirla por toda la micro-red.

En el actual escenario de fomento y desarrollo de energías renovables en Chile, surge la necesidad de estudiar el impacto que genera esta nueva clase de tecnologías en la operación de los sistemas eléctricos. En esta línea, el presente trabajo contribuye mediante el desarrollo de un modelo de despacho económico para uso como herramienta de programación de la operación, orientado a un sistema que involucre el recurso viento como parte importante de su matriz de generación. En el trabajo se describe, basado en una revisión bibliográfica, el impacto que genera el recurso eólico en los sistemas eléctricos. Se enfatiza los efectos sobre la operación, en donde destacan las consecuencias sobre el control secundario de frecuencia, y los nuevos algoritmos de despacho que abordan la falta de certeza en la estimación del energético primario en una evaluación que incorpora restricciones de seguridad. Para incorporar energía eólica en el esquema general de operación del sistema, es necesario un mecanismo, ajeno a la operación económica, que permita predecir la potencia generada por este tipo de centrales en un horizonte de tiempo definido y con algún grado de certeza. Bajo este contexto, una forma de evaluar el recurso es mediante la extrapolación de perfiles eólicos a partir de datos históricos de viento. Usando dichos valores e incorporando todos los elementos propios de un parque eólico, es posible reducir la información a un par de perfiles que denoten el funcionamiento esperado del parque con una probabilidad de ocurrencia asociada. Estos perfiles se ingresan como dato de entrada a un modelo de programación de despacho económico para un horizonte de tiempo en particular. El modelo de despacho económico propuesto consiste en un algoritmo que minimiza el costo total esperado de operación, bajo diversos escenarios determinados por la existencia de contingencias en adición con los errores de estimación en el viento y los consumos; y en los cuales debe cumplirse la restricción de balance de carga mediante la imposición de restricciones de seguridad basadas en la definición de reservas para regulación primaria y regulación secundaria. Si bien se optimiza en forma conjunta todos los escenarios contemplados, las consignas de potencia y reserva son únicas para el conjunto de estados del sistema. Del modelo se obtienen cinco productos específicos, que son comunes para todos los escenarios en consideración: la consigna de potencia de las centrales, las reservas primarias de subida y bajada; y, las reservas secundarias de subida y bajada. El modelo desarrollado se valida mediante su implementación en un sistema uninodal de tres generadores – uno de ellos eólico – y bajo distintos casos de análisis. Finalmente se implementa el modelo propuesto en estudios de operación de corto plazo del SING, mediante la inserción de un parque eólico de 100 MW de capacidad instalada. Se aprecia, para dos casos particulares de estudio, una disminución en el costo marginal promedio del sistema en 15 [$/MWh] – en comparación con su símil sin recurso eólico – y un aumento en la reserva secundaria disponible debido a cambios de configuración en los ciclos combinados. Dada la suficiente reserva en giro y las elevadas tasas de toma de carga, el sistema posee la holgura suficiente para cubrir los escenarios de viento descritos para el tiempo de simulación sin recurrir a una reasignación de recursos entre las unidades previamente programadas por el predespacho. Como trabajo futuro es evidente la necesidad de estudiar el impacto del viento en el modelo de predespacho, junto con implementar el modelo aquí presentado en estudios online, incorporando dispositivos SCADA en las simulaciones.