No autorizada por el autor para ser publicada a texto completo / Producto la mayor demanda de energía eléctrica, se han investigado nuevas opciones de generación y ahorro de energía. Sumada esta necesidad a la preocupación por el cuidado del medioambiente, se han desarrollado tecnologías de generación a partir de fuentes de energía renovable y no renovable. Entre estas opciones se encuentra la generación distribuida, definida como aquellas fuentes de energía eléctrica de pequeña escala instaladas en redes de distribución cercanas al consumidor final. En Chile, los primeros avances legislativos en el tema se produjeron en el año 2004 con la denominada Ley Corta I, otorgando beneficios en el pago de peajes para medios de generación menores a 20MW, además de establecer el derecho a conexión a redes de empresas distribuidoras a unidades menores a 9 MW. Posteriormente, el año 2006 se promulgó el Reglamento y Norma Técnica correspondiente, definiendo obligaciones y procedimientos de ambas partes, tanto empresas distribuidoras como generadores distribuidos. En este trabajo de título, se propone un método determinístico para el estudio de generadores distribuidos, consistente con el esquema actualmente utilizado en la fijación de tarifas del sistema de distribución chileno, basado en la comparación de una empresa distribuidora con una empresa eficiente o modelo. Para esto, se han creado en la plataforma DeepEdit de estudio de sistemas de potencia, dos aplicaciones de análisis técnico-económico. La primera aplicación entrega la configuración de conductores óptima para el alimentador en estudio, en base a una topología de alimentador definida y una base de datos con costos de conductores. La segunda aplicación permite hacer un estudio más detallado de los requerimientos de reactivos del sistema, tal que permita proponer una red con los equipos de regulación de tensión definidos según el criterio del diseñador. Cada herramienta es validada para casos específicos donde teóricamente se conocen los resultados. Los resultados obtenidos muestran que el óptimo de generación distribuida se encuentra cercano al 80% de penetración, disminuyendo las pérdidas de un 4,8% a un 1,4% y mejorando en promedio el nivel de voltaje en un 1,6%. Se concluye que a mayores niveles de penetración de generación distribuida, si bien las pérdidas medias disminuyen, se requiere una mayor inversión en tecnologías de control de reactivos, debido a las variaciones de flujos y aumentos de tensión en las líneas. Esto dependerá del tipo, magnitud, ubicación y diversidad de las tecnologías conectadas. Como trabajo futuro se propone el análisis con métodos de optimización entera o mixta, que permitan evaluar todas las variables en conjunto en una única etapa.

El objetivo general del presente trabajo de título es desarrollar una recopilación de los aspectos de mayor relevancia que deben estar presentes para la comprensión de los medios de generación mareomotrices y undimotrices, de tal manera de aportar al desarrollo de un tratamiento sistemático de este tipo de fuentes, especialmente desde la perspectiva de su futura reglamentación, tratamiento ambiental y sus aspectos de conexión. Con el fin de contextualizar el desarrollo existente de los dispositivos de conversión eléctrica que se basan en la utilización de medios marítimos, se realiza una revisión de las principales formas en que se presenta la energía en el océano y se describen algunas tecnologías representativas que actualmente están en fase de desarrollo o en etapa de comercialización. Como parte de este estudio, se ha incorporado la aplicación de ejemplos, en donde se consideran algunas tecnologías existentes para ser implementadas en alguna zona del borde costero nacional. Para lo cual se debe conocer o estimar el recurso, para proceder al cálculo de energía anual capaz de generar y del factor de planta o capacidad del dispositivo. Realizando algunas estimaciones sobre los costos es posible la realización de una evaluación privada del proyecto y la obtención de los parámetros económicos VAN y TIR, los cuales dan una idea de la rentabilidad del proyecto. Se espera que el VAN sea positivo y/o la TIR mayor a la tasa de descuento (10%) para que el proyecto resulte atractivo para los privados. El resultado final para las tecnologías analizadas bajo una tasa de descuento de 10%; un factor de capacidad de 25%; un precio de la energía de 79,1 [US$/MWh] y un precio por potencia firme de 9 [US$/kW-mes]; se obtiene que ninguna de las tecnologías es rentable, debido a que presentan un VAN menor a cero y una TIR menor que la tasa de descuento. Por lo que es necesario analizar casos en que aumenta el factor de capacidad o disminuyen los costos de inversión. En éstos caso dependiendo de la variación es posible obtener a lo más tres proyectos rentables: Rotech Tidal Turbine (RTT), AquaBuOY y SeaGen. Por lo que es posible concluir que aun falta tiempo para que estas tecnologías se desarrollen más, ya sea para mejorar su factor de capacidad o bien para disminuir sus costos de inversión debido a la producción en masa. De todas formas el ejercicio de realizar el ejemplo ha servido para percibir los objetos faltantes y las consideraciones tanto en ámbito legal y normativo, como en una mejor evaluación y estudio del recurso energético existente en el país.

Ingeniero Civil Electricista / Chile actualmente necesita expandir su oferta de electricidad, ya que año tras año aumenta de manera considerable su demanda. Por lo anterior, se requiere definir constantemente una matriz energética confiable y sustentable a largo plazo, promoviendo de esta forma la generación eléctrica por medio de recursos renovables no convencionales. La aparición de estas tecnologías, pone en duda el real impacto que ellas provocarán en la forma de operar en las empresas distribuidoras. Por otra parte, las condiciones de calidad de suministro eléctrico se encuentran meridianamente establecidas en la normativa vigente, se espera que próximamente sean complementadas. El presente trabajo de título entrega, en forma clara y simplificada, una clasificación de los principales tipos de generación por medio de Energías Renovables No Convencionales, junto con introducir el concepto de Generación Distribuida (GD). Además, se efectúa una revisión detallada de las leyes, decretos y normas nacionales que se relacionan con la GD, abarcando desde su comienzo con la Ley Corta I hasta la Ley 20.571 aprobada en el Congreso en el año 2012, pasando por la propuesta de Norma Técnica de Calidad y Servicio para los Sistemas de Distribución. Para establecer el impacto que causa la interconexión de dos generadores distribuidos en cada uno de los alimentadores rurales implementados, se efectúan simulaciones con el programa Power Factory de DigSILENT. Para esto se realiza un cálculo de flujo de carga, un cálculo de cortocircuito y un estudio de transientes. De los resultados y análisis se obtiene lo siguiente: Al conectar los GD al final de los alimentadores, se observa que las pérdidas en las líneas son aproximadamente un 50% menos. Al aplicar el cortocircuito trifásico en la cabecera de los alimentadores interconectados con GD igual o menor al 20% de la capacidad del conductor, no es necesario invertir en nuevos equipos de protección pues estos, ya despejan fallas mayores a las establecidas. Se constata la necesidad de desconectar los GD antes de los 2 [s]. El motivo corresponde a la pérdida de la calidad de suministro ya que los límites de voltaje y frecuencia se salen bruscamente de los rangos establecidos de la normativa vigente. Como trabajos futuros, se propone el estudio detallado de la interacción entre GD, incorporando coordinación de protecciones, equipos reguladores e integración de las redes inteligentes. Sobre la base de lo anterior, este trabajo entrega una guía que permite operar técnicamente más de un GD y establece nuevos lineamientos para aprovechar las virtudes que trae consigo los GD en las redes de distribución.

Ingeniero Civil Electricista / Efectos en la Masificación de Unidades de Generación Distribuida en los Sistemas de Protección de Sobrecorriente de las Redes de Distribución El rápido crecimiento de la demanda de energía eléctrica ha llevado a considerar dentro de las formas de concepción de energía la inserción de unidades de generación en redes de empresas distribuidoras, conocida como Generación Distribuida (GD). Sin embargo, la interconexión de GD presenta desafíos técnicos y regulatorios, en particular en los actuales esquemas de protecciones eléctricas. El objetivo general del presente trabajo de título es determinar empíricamente el impacto en las protecciones de sobrecorriente asociados a la conexión de unidades de GD sobre un sistema de distribución, identificando los problemas que se pueden provocar en la coordinación de protecciones con la masificación de la interconexión de unidades de GD. Con esto, se espera contribuir al proceso de integración de GD, indicando aspectos críticos a considerar en los futuros estudios de coordinación de protecciones. La evaluación del impacto se realizó por medio del software DigSilent Power Factory, mediante simulaciones sobre un sistema de prueba, que busca presentar en forma simplificada la interacción de las corrientes de fallas aportada por la red de transmisión y por las unidades de GD con la operación de los dispositivos de protección de sobrecorriente: relé, reconectador y fusibles. La metodología de trabajo consiste en la interconexión de unidades de GD de diferentes capacidades y en diferentes localidades, identificando los aportes de corriente por parte de los GD y el sistema de transmisión a la falla, para determinar el efecto sobre la coordinación de protecciones, analizándose comparativamente las respuestas. Como resultado del estudio, se determinó que los esquemas de coordinación implementados no son efectivos con la interconexión masiva de unidades de GD. Se determinaron los puntos de instalación de mayor conflicto con las protecciones y una metodología para evaluar el nivel de penetración de GD aceptado por la red, correspondiendo a un 25% de la red estudiada. Para los efectos derivados de la conexión de GD, que se observan en la red de distribución, flujos bidireccionales y aumento del nivel de cortocircuito, permiten concluir que el problema de coordinación debe ser replanteado, considerando una adecuada coordinación de las protecciones establecidas con la GD, que permita no tener una pérdida completa del sistema de distribución ante un escenario de falla.

Ingeniero Civil Industrial / Chile está viviendo una crisis energética que provoca los precios más altos de la historia, adicional a esto se ha aprobado la ley de Net-Metering que permite a clientes residenciales inyectar excedente de generación por fuentes de energías renovables. Lo anterior, sumado a una red de transmisión y distribución de energía cada vez más congestionada hace que se vea atractiva la implementación de generación distribuida, y en específico microredes eléctricas. Las microredes eléctricas son arreglos de red con puntos de generación de energía distribuida que puede funcionar en paralelo a la red de distribución o independiente en forma de isla. A partir de esto se pretende en este documento obtener una visión integral de las microredes en el mundo y su aplicación en Chile, encontrar modelos de negocios y entender los factores clave para implementar microredes eléctricas en ámbitos económicos y técnicos para tres sectores: residencial, industrial y comunidades aisladas de la red eléctrica. Para el desarrollo del trabajo se investigó fuentes secundarias de distintas fuentes con tal de entender las aproximaciones en temáticas de microredes a nivel internacional y poder aplicarlo a la realidad de Chile. Se realizó un proceso iterativo entre obtención de información a base de documentos e información en línea, y entrevistas y conocimiento de actores relevantes en Chile. Esto con tal de obtener un modelo de negocio para abordar los distintos sectores analizados y entender los factores que influyen la implementación de microredes. A partir de lo estudiado se tiene un análisis de casos internacionales en microredes donde se tiene un mercado de gran potencial de US$ 10 mil millones al 2013 y expectativas de US$ 40 mil millones al 2020. Se han desarrollado grandes avances en EE.UU. con desarrollo tecnológico de gran importancia además grandes aprendizajes de caso en Europa y Japon. Se obtuvo posibles modelos de negocio para entrar a los diferentes sectores, residencial, industria y comunidades aisladas con sus respectivos análisis de factores importantes como es el caso de aspectos geográficos, recursos naturales disponibles, estado del sistema eléctrico y demanda energética en la parte técnica, y factores como costos y formas de ingreso y beneficio como factores económicos. Las microredes pueden proporcionar una vía para el aumento de la cantidad de la generación distribuida y la entrega de electricidad, donde la calidad del servicio está adaptada localmente sus requerimientos. En las tecnologías en microredes se ve un alto atractivo a futuro en el país para todo tipo de sectores. No es una solución país a la crisis energética, pero puede aliviar en parte a largo plazo los problemas en esta área.

Ingeniero Civil Electricista / Los huecos de tensión corresponden a desviaciones en la tensión con respecto a sus valores nominales o esperados que afectan a los sistemas de potencia, incluyendo redes de distribución. Estos fenómenos provocan que los generadores se desconecten del sistema para proteger sus equipos. Así, los requerimientos frente a huecos de tensión obligan a éstos a permanecer conectados durante ciertos períodos de tiempo, proporcionando una operación más segura del sistema. Lo anterior se aplica generalmente a grandes generadores. Sin embargo, en Chile también se incluyen los Pequeños Medios de Generación Distribuida, conocidos como PMGD. Ahora bien, la generación distribuida en baja tensión, o doméstica, no posee reglamentación con respecto a los huecos de tensión, por lo que tomando esto en cuenta además del gran crecimiento que han experimentado estas tecnologías (especialmente la fotovoltaica) en los últimos tiempos, es pertinente estudiar el comportamiento de los requerimientos frente a huecos de tensión en redes de distribución que incluyan generadores descentralizados. Para realizar el estudio se escogió un alimentador promedio, tipo rural, utilizando para esto el alimentador Gabriela Mistral de Conafe. En este sistema se incluyó generación distribuida en media y baja tensión, PMGD y doméstica, respectivamente, debido a los requerimientos existentes para la primera, conectándose en los mismos puntos que los consumos. Se definieron ocho escenarios de penetración de la generación distribuida, incluyendo distintos porcentajes de PMGD. Además se escogieron tres distribuciones de ésta a lo largo del alimentador. Para generar un hueco de tensión que representara el peor caso, se utilizó un cortocircuito trifásico en la primera barra del sistema, y se estudiaron dos tiempos de despeje distintos. También se encontraron los tiempos críticos de despeje del sistema. Entre las conclusiones principales destaca el hecho de que los escenarios de penetración y las distribuciones de la generación distribuida afectaron las tensiones previas y posteriores a las perturbaciones estudiadas, siendo las diferencias entre éstas mayores al momento en que la penetración es mayor y en la distribución Creciente. Los requerimientos frente a huecos de tensión para los PMGD obligaron a la generación distribuida a permanecer conectada luego del cortocircuito con despeje a los 150 ms, aportando a la respuesta del sistema; esto se verificó ya que los tiempos críticos de despeje fueron mayores cuando la generación distribuida doméstica se regía por éstos requerimientos. Finalmente, en el caso de un cortocircuito con un despeje a los 300 ms, se produjo una desconexión masiva de la generación distribuida del sistema.

La generación de electricidad se ha visto afectada debido a problemas con el abastecimiento de energéticos primarios y el alza de precios, estimulándose de esta forma el desarrollo de nuevas tecnologías con el fin de abastecer la creciente demanda. Además, los altos índices de contaminación mundial y el aumento de la preocupación de parte de la población respecto a este tema han producido que la mayoría de los nuevos desarrollos apunten a disminuir la contaminación. Consecuentemente, las tecnologías de generación eléctrica relacionadas con energías renovables se asoman cada vez con mayor fuerza como medio de obtención de electricidad. Dentro de las energías renovables se encuentra la hidráulica, donde Chile presenta un elevado potencial disponible gracias a su geografía y clima. Por otro lado, la Generación Distribuida (GD) ha visto en alza convirtiéndose en una opción para facilitar el aumento de generación con tecnologías renovables, permitiendo la interconexión de pequeños medios de generación conectados a los sistemas de distribución. En este contexto en el Departamento de Ingeniería Eléctrica (DIE) de la Universidad de Chile se ha estado desarrollando un prototipo para laboratorio de una Central Micro-Hidráulica (CMH) utilizando una turbina de tipo Pelton. El objetivo de esta memoria de título apunta al perfeccionamiento del prototipo de CMH, integrando los controles necesarios para la correcta simulación del recurso hidráulico además de la implementación de un sistema de control local, monitoreo y control remoto que permita la operación del prototipo como un generador distribuido modificando sus modos de operación entre conectado o aislado de la red eléctrica. Durante el desarrollo de este trabajo se realiza una revisión del estado del arte sobre GD y la forma en que se relaciona con las centrales CMH, ahondando en los componentes de esta última y los tipos de control utilizados. Luego se exponen las leyes que rigen el comportamiento de una caída natural de agua y la forma en que ésta puede ser simulada con una bomba centrífuga. A partir de esto se integran los controles correspondientes al prototipo de CMH construido, incluyendo los sistemas de medición y accionamiento para modificar las variables eléctricas dentro de los rangos establecidos de forma manual o automática. Igualmente, se desarrolla un sistema de monitoreo y control remoto mediante una interfaz gráfica desarrollada en la plataforma comercial LabVIEW, que permite la conexión entre un operador local y la CMH de manera que el operador puede verificar su funcionamiento y decidir sobre su operación. Se obtiene como resultado un prototipo de CMH para laboratorio que permite simular el comportamiento de una central real, con sus respectivos controladores y un sistema de monitoreo y control remoto validado, alimentando cargas locales e inyectando cerca de 2 kW a la red. La reproducción del recurso hidráulico utilizando una bomba centrífuga muestra resultados satisfactorios, comprobándose que la altura equivalente simulada permanece constante gracias a la realimentación de la presión. El caudal del recurso hidráulico puede variar entre 0 a 300 l/min con un rango de alturas disponibles entre 30 a 55 metros. El funcionamiento del control implementado en la CMH presenta resultados satisfactorios en cuanto a su funcionamiento, permitiendo la operación de la CMH en forma aislada o conectada a la red, siendo validado experimentalmente. Sin embargo, al operar aislada de la red, la variación de la tensión y frecuencia, para modificaciones de carga mayores al 40% de la potencia máxima entregada por la CMH, sobrepasan el 10%, por lo que la calidad del suministro no se encuentra dentro de los rangos permitidos por la Norma Chilena. Se concluye que el perfeccionamiento del prototipo ha sido satisfactorio, convirtiéndose en una herramienta docente efectiva para comprender el funcionamiento de esta tecnología en un laboratorio, además de la escalabilidad del sistema de control y monitoreo implementado. Se propone como trabajo futuro mejorar el funcionamiento del controlador, realizando cambios en su topología y agregando mediciones de variables importantes para el funcionamiento del sistema.

La motivación principal de este trabajo es el gran aporte y eficacia de la cogeneración como medida de Eficiencia Energética en la industria, permitiendo ahorros considerables en términos económicos, y ventajas sociales y ambientales notables al permitir un mejor aprovechamiento del combustible primario. Con este fin se desarrolla una propuesta de operación para una red de distribución que involucre el concepto de Redes Activas, que deriva de las Redes Inteligentes y que plantea una red con una operación flexible y dinámica, capaz de adaptarse a las distintas condiciones de operación, mediante un proceso de optimización permanente de las variables de control dispersas en la red. La propuesta planteada considera una relajación de algunas de las restricciones impuestas por la concepción tradicional (pasiva) de las redes de distribución, permitiendo una operación coordinada y dinámica entre las unidades de GD presentes en la red. Esta operación coordinada se basa en un Flujo de Potencia Óptimo (OPF) que determina los valores óptimos para las variables de control (tap de los transformadores con cambiador bajo carga y consignas de potencia activa y reactiva de los GD) de acuerdo a las condiciones de demanda y la disponibilidad de generación. El algoritmo OPF es desarrollado en código MATLAB a partir del paquete de cálculo MATPOWER, al cual se le adicionó la posibilidad de manejar, como variable de optimización discreta, el tap de uno o más transformadores con cambiador bajo carga, implementándose esto mediante un proceso iterativo previo, basado en optimización por enjambre de partículas, que entrega la posición óptima de los tap de los transformadores y una primera aproximación de las consignas de potencia de los GD. Con los tap óptimos ya fijados, el modelo utiliza un OPF tradicional que determina finalmente las consignas óptimas de potencia activa y reactiva de los GD. Tanto la propuesta conceptual como la herramienta de cálculo desarrolladas fueron implementadas y probadas mediante dos casos de estudio: uno en que se realizó un manejo óptimo de la potencia reactiva en los GD, y otro en que se consideró además la posibilidad de efectuar recortes de generación para mantener las variables de la red bajo norma. Para ambos casos estudiados se realizó una estimación de los beneficios económicos derivados de la operación activa de la red, resultado que puede ser contrastado con los costos de la implementación de este esquema de operación inteligente, o bien con la ejecución de obras de ampliación necesarias para evitar la totalidad —o una parte— de los recortes de generación, en caso de que estos sean requeridos. A partir de estos resultados se realizó, además, una sensibilización respecto al precio de la energía, encontrándose que para costos bajos de la energía el esquema propuesto permite evitar una expansión innecesaria de la red, optando por realizar recortes de generación, mientras que para costos altos convendría realizar la expansión de la red pero realizar un buen manejo de reactivos, de modo de minimizar las pérdidas en la red.

Ingeniero Civil Eléctrico / En el último tiempo el aumento de la demanda no ha ido de la mano con el crecimiento de la oferta, entre lo que sobresalen las barreras a la construcción de proyectos de gran envergadura. Sin embargo, Chile posee un enorme potencial energético, en especial, la energía hidráulica, la cual puede ser una alternativa para desarrollar proyectos de baja escala y responder al desafío de generación. El objetivo de esta memoria es desarrollar un sistema de monitoreo de variables eléctricas, que permita identificar condiciones anormales del funcionamiento de generadores sincrónicos, además disponer de una plataforma en tiempo real que pueda obtener los datos necesarios, para luego ser procesados e identificar posibles fallos. Para esto fue desarrollado un sistema en LABVIEW, el cual toma los datos, los procesa y los almacena, para posteriormente ser leídos en MATLAB y ser graficados y analizados. Este proceso se realizó con la micro central hidráulica ubicada en el taller mecánico de la Universidad de Chile, donde se tomaron distintas mediciones, que al ser analizadas mostraron diferentes condiciones del generador. Una de estas es la posible excentricidad estática del generador, debido a la alta presencia de armónicos que siguen el patrón f_E=[1±((2k-1)/P)] f_s. Otra de las condiciones encontradas, es la alta posibilidad de tener cortocircuitos en las fases A y B, debido a la presencia significativa de las 3ª, 9ª y 15ª armónicas en dichas fases. Además se presenta el diseño de un banco de pruebas, el cual está previsto para disponer de estados de comparación entre un generador en estado sano y en diferentes condiciones de falla. El sistema de adquisición de datos desarrollado presenta un buen desempeño almacenando datos en línea de la corriente de un generador. Con el cual se pueden realizar análisis del espectro de frecuencia, con el fin de encontrar patrones que permitan diferenciar las distintas fallas, puedan ser estas de índole mecánica o eléctrica. Asimismo, se desarrolla un manual para el posterior uso de la herramienta. Como trabajo futuro se propone integrar un sistema de detección de fallas, el cual pueda identificar en línea las diferentes condiciones que pongan en riesgo la operación de un generador.

Ingeniero Civil Eléctrico / El incremento en el interés por las energías renovables no convencionales a nivel mundial es un producto del cambio climático y la oportunidad de los países de disminuir el nivel de dependencia a los precios de los combustibles fósiles. Específicamente en Chile la política energética nacional tiene como objetivo lograr una matriz que se componga por al menos un 60% de ERNC s para el año 2035. Para lograr esto, se han generado distintos incentivos para facilitar la adopción de tecnologías bajas en carbono e incentivar su uso en los consumidores residenciales, como por ejemplo la ley de netbilling, el programa de techos solares públicos, entre otros. Dentro de estas tecnologías se encuentran los vehículos eléctricos y la generación distribuida, como los sistemas fotovoltaicos. Frente al aumento del uso de estas tecnologías de generación distribuida, se han realizado diversos estudios sobre el potencial impacto que podrían tener en las redes de distribución de media y baja tensión. Dichos estudios muestran como niveles altos de uso, provocan efectos importantes en las redes de distribución, como cambios en los perfiles y esquemas de regulación de voltaje, reversión de flujos, disminución de las pérdidas, cambios en la calidad de la potencia por contenido armónico, entre otros. La metodología propuesta para evaluar los impactos de la generación distribuida, se aplica para un set de redes aproximadas de media tensión, basadas en estandares reales de diseño, que se modelan para abastecer a un área de similares características que la región Metropolitana de Chile considerando 42 subestaciones. Estas conectan a un total de 397 alimentadores, los cuales abastecen a 13739 transformadores de media tensión. Las tecnologías evaluadas son las 2 con mayor proyección a nivel residencial en el país: los sistemas fotovoltaicos y los vehículos eléctricos. Los impactos evaluados son los problemas de tensión en los transformadores de distribución MT y los problemas térmicos en los conductores. Los resultados obtenidos muestran que la metodología propuesta permite realizar una clasificación de los alimentadores según sus características topológicas, y la identificación de los alimentadores más sensibles a cada tecnología. Además, se obtiene que existen grandes diferencias en la susceptibilidad a presentar problemas entre cada alimentador y subestación MT analizada. Por otro lado, también se obtienen grandes diferencias entre cada una de las simulaciones para un mismo nivel de penetración con distintas localizaciones del recurso distribuido, lo que recalca la sensibilidad a la localización de las LCT s.