Actualmente, los países industrializados generan la mayoría de su electricidad en grandes instalaciones. Estas centrales explotan economías de escala en inversión y operación, pero se encuentran ubicadas a grandes distancias de los puntos de consumo y muchas de ellas causan gran impacto medioambiental. En este contexto aparece el concepto de Generación Distribuida (GD), basado en energía renovable. Estas tecnologías consisten en centrales de mediana y pequeña escala, conectadas directamente a los sistemas de distribución. Para explotar los beneficios de la GD, es necesario que exista una correcta coordinación de las unidades en una red local. De aquí nace la idea del Generador Virtual (GeVi), ente encargado de la coordinación operacional de distintas unidades de GD, optimizando su desempeño conjunto. El objetivo general del presente trabajo de título es proponer, desarrollar y evaluar un sistema de gestión de energía (Energy Management System o EMS) automatizado, para una aplicación real en la comunidad rural de Huatacondo, primera región de Tarapacá. Para ello, en base de un trabajo previo se desarrolla una herramienta computacional, integrando predictores de consumo, potencia eólica y potencia fotovoltaica con un optimizador lineal entero mixto. Tomando en cuenta la naturaleza estocástica de la velocidad del viento y del movimiento de las nubes, se hace imprescindible contar con una herramienta que sea capaz de reaccionar ante diferencias importantes entre las predicciones y la realidad, de manera de optimizar y dar una mayor confiabilidad al GeVi. Con el fin de lograr esto, se utiliza la metodología de ventana deslizante. La metodología propuesta se valida empíricamente a través de una simulación de tipo Monte Carlo, generándose 500 escenarios de la operación del EMS, tanto para el caso con y sin ventana deslizante. Como entradas relevantes de las pruebas se utilizan perfiles reales y predicciones de: consumo eléctrico, potencia solar y potencia eólica. Para realizar este trabajo, se analizan datos históricos de velocidad de viento, consumos y potencias fotovoltaicas en la microred de Huatacondo. Dado que al momento de realizar este trabajo la microrred no se encontraba en pleno funcionamiento, se simula la operación de ésta. Se trabaja con un horizonte de evaluación de 2 días y una tasa de refresco de 1 hora. Los resultados obtenidos corroboran los beneficios del uso de ventana deslizante. Se determina el ahorro o gasto adicional con respecto a no haber implementado la metodología de ventana deslizante. En un 98.8% de los casos se presenta reducción de costos. El promedio de ahorro fue de un 10.4% al utilizar ventana deslizante. Esta metodología requiere 23 veces más recursos computacionales que sin hacer uso de ella, tardando 31 segundos por ejecución en un computador personal para un total de 12 minutos con 19 segundos en promedio para el predespacho de un día. Como líneas de investigación futura se propone realizar un análisis de la operación real en Huatacondo y el predespacho dado por el EMS. Además, se puede analizar el impacto del desplazamiento de demanda que no fue considerada en este trabajo. Finalmente, se propone generalizar el EMS para permitir una fácil aplicación a otras microrredes de características distintas.

En la problemática de abastecer de energía eléctrica a una localidad aislada, ha ido tomando fuerza el desarrollo de las llamadas micro-redes. Estas soluciones consisten en sistemas eléctricos pequeños, que cuentan con generadores de baja potencia nominal que abastecen consumos físicamente cercanos. Una ventaja que ofrecen las micro-redes frente a sistemas mayores viene justamente de esta proximidad entre generación y consumos, minimizando las pérdidas en las líneas. Sin embargo, la calidad de suministro tiende a ser menor debido a que no e factible aprovechar las ventajas de los sistemas interconectados: inercia, respaldo, diversidad de fuentes. De esta forma, es clave el desarrollo de esquemas de control adecuados que permitan asegurar niveles mínimos de calidad de suministro. Un elemento central de estos esquemas de control es su capacidad para determinar en forma confiable el estado del sistema eléctrico a partir de un número limitado de medidas de fácil adquisición. En este contexto, el objetivo de este trabajo de memoria es disponer de un modelo de estimación de estado para micro-redes, a través de un proceso de análisis, diseño e implementación a escala prototipo. La herramienta resultante debe ser capaz de analizar la micro-red del pueblo de Huatacondo, un pueblo al norte de Chile cuyo suministro eléctrico proviene en gran medida de fuentes de energía renovables no convencionales, como aplicación práctica. Asimismo, debe proyectarse como herramienta docente, para la estimación de estado de la micro-red del Laboratorio de Energía y Accionamientos del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile. El modelo estimador de estado que se desarrolla se basa en el método clásico de Mínimos Cuadrados Ponderados, que permite estimar la tensión fasorial en las barras de una micro-red, dando más importancia a las medidas más precisas entre las que se dispone. Las medidas que se consideran en este trabajo son módulos de tensiones, flujos de potencia activa y reactiva en líneas y potencia activa y reactiva en ciertas barras de consumo o generación. Se valida el funcionamiento del estimador de estado desarrollado mediante ejemplos disponible en la literatura especializada, con errores en torno a la tolerancia de 1,35%. Asimismo, se identifica un caso anómalo descrito en la literatura. Sin embargo, en este caso la convergencia del algoritmo si bien detecta la medición errónea, lo reporta a través de una solución no factible en términos físicos. Se ejecuta la aplicación diseñada en la micro-red del laboratorio y en la de Huatacondo, comparando las potencias calculadas a partir del estado encontrado con las potencias medidas, obteniéndose un error relativo porcentual promedio cercano al 2% en el caso del laboratorio y del 0,2% en el caso de Huatacondo. Dado esto, se concluye que la aplicación diseñada cumple el objetivo de obtener el estado de la micro-red de manera confiable. Cabe señalar que en el caso de la estimación de los ángulos de fase de las tensiones, la verificación en el laboratorio a través de mediciones obtuvo resultados con errores mayores. Estas diferencias pueden explicarse por errores en las mediciones o en los parámetros del sistema. Como trabajo futuro, se propone el desarrollo de la etapa de control que mantenga al sistema en el estado de operación normal, el estudio y comparación con otros modelos de estimación de estado y la integración del programa construido con la aplicación Deep-Edit desarrollada en el Departamento.

La preocupación por el cambio climático y el medio ambiente, el aumento del nivel de electrificación en las comunidades aisladas, permite aprovechar los recursos naturales de la zona para el suministro de energía con fuentes renovables. Asimismo, el desarrollo de las redes inteligentes, contribuyen a la gestión y operación de los sistemas de generación de energía. El objetivo de esta tesis es integrar a la comunidad con el sistema de suministro de energía eléctrica con el propósito de mejorar la sustentabilidad del proyecto. Para lograrlo se extraen las características sociales de la población: estructura organizacional, proceso de toma de decisiones, nivel socioeconómico, nivel cultural y mapa de sueños. De la misma forma, es necesario conocer las características técnicas del sistema eléctrico de generación y la factibilidad de instalar sistemas de comunicación para establecer un enlace entre la localidad y los equipos que suministran la energía. Una vez conocidas las características sociales y técnicas, se desarrolla un concepto innovador denominado “Social SCADA” (del inglés Supervisory Control and Data Acquisition), que se fundamenta en el nivel de sociabilidad existente entre los miembros de la comunidad. El Social SCADA es una herramienta de software modular expandible formada por: 1) optimizador, 2) herramienta para la toma de decisiones y 3) herramienta para la supervisión y mantenimiento. Este trabajo de tesis desarrolla en detalle el punto tres, proponiendo interfaces intuitivas de fácil manejo y entendimiento para los miembros de la comunidad. La aplicación cuenta con: interfaz para establecer un canal de comunicación entre la comunidad y la universidad, interfaz para monitorear las fuentes de generación del proyecto, indicadores de sustentabilidad y se indican las tareas de mantenimiento pendientes para que la población las ejecute. El sistema se encuentra implementado en la localidad de Huatacondo, en un proyecto de una Micro-red inteligente llevado a cabo por el grupo de investigación de la Universidad de Chile. Para su desarrollo se utiliza la plataforma LabVIEW y el servidor OPC de Matrikon. Al culminar este trabajo se logra una validación técnica y social, mejorando la percepción de los habitantes sobre el proyecto. La herramienta propuesta extiende el concepto de los sistemas SCADA tradicionales, ya que la comunidad gestiona, mantiene, controla y supervisa el sistema de generación de energía, lo que proyecta su permanencia en el tiempo. Como trabajo futuro se plantea el desarrollo de aplicaciones móviles, la herramienta de toma de decisiones y aumentar indicadores sociales que sean de interés para la comunidad.

Ingeniero Civil Electricista / El objetivo principal de este trabajo consiste, como su nombre lo indica, en investigar y desarrollar los procedimientos de diseño de generadores sincrónicos de flujo axial, de imanes permanentes, para la aplicación en aerogeneradores. Con este fin, primero se realiza una etapa de investigación sobre este tipo de máquinas y la tecnología existente en la actualidad para aerogeneradores, además del estado del arte en Chile con respecto a la energía eólica y materias de electrificación rural. Los temas más importantes son plasmados aquí, para crear el prisma bajo el cual se espera el lector siga este trabajo. La segunda etapa consiste en el diseño del generador sincrónico de flujo axial. Para esto, primero se realiza un ajuste de fórmulas que calculan los flujos que se pueden enlazar con las bobinas del generador. Esto permite implementar una metodología de diseño de la máquina, la que luego es optimizada en base a los precios del hierro dulce, los imanes y el cable a utilizar, concluyendo además la ventaja del uso de hierro dulce. Con la metodología implementada y las expresiones que relacionan el viento con el generador, se obtiene el óptimo para ciertas condiciones impuestas de potencia demandada y velocidades de viento máxima y nominal, procediendo luego a obtener las simulaciones para el generador en vacío y con carga, en función del viento. La correcta modelación de esta carga es fundamental para la simulación del comportamiento de la máquina, ya que ésta, junto con los datos del potencial eólico del lugar escogido (Ollagüe), permiten obtener la curva de potencia del aerogenerador diseñado, dato fundamental para la posterior simulación del comportamiento de la máquina con datos reales de la localidad. Finalmente, en base a la simulación realizada para el consumo eléctrico de la localidad de Ollagüe, se compara la alternativa eólica que incluye al aerogenerador diseñado, con una alternativa diesel, verificándose que la primera resulta ser más conveniente en un plazo de 10 o más años.

En las comunidades campesinas, la energía eléctrica resulta ser un recurso limitado, debido a que en estos lugares las empresas eléctricas privadas no cuentan con la infraestructura adecuada con lo cual podrían proporcionar este servicio de manera óptima. La razón principal de este hecho es que la inversión que realizarían dichas empresas la recuperarían después de mucho tiempo, debido a que el consumo en las comunidades es muy bajo como para que la inversión se recupere en un tiempo prudente. Por esta razón, en estos lugares se cuenta con generadores eléctricos como fuente de energía, los cuales alimentan a todas las viviendas de la comunidad campesina. Sin embargo, no se cuenta con algún tipo de control acerca del consumo que se pueda realizar de esta energía limitada, por lo que frecuentemente se tienen consumos excesivos de parte de alguna vivienda, quedando muy poca energía restante para que otra vivienda pueda realizar un consumo similar. En consecuencia, surge la necesidad de contar con algún sistema que permita controlar el consumo que realice cada vivienda, de modo que se pueda repartir equitativamente la misma. En este documento se desarrolla una solución al problema mencionado, donde se presenta el diseño de un sistema de control que puede ser empleado en estos lugares, de modo que cada vivienda puede realizar un consumo dentro de un rango permitido. / Tesis

En el presente trabajo se desarrolla una evaluación de la implementación de un proyecto de desarrollo mediante el uso de extensionismo tecnológico, que tuvo el fin de brindar electricidad y así beneficiar a las personas para que puedan cubrir sus necesidades básicas insatisfechas y mejorar su desarrollo. En este aspecto, la tesis se enfoca en el extensionismo de la tecnología de pico paneles solares para llevar a cabo proyectos de electrificación rural. El objetivo principal del trabajo es evaluar los efectos de un proyecto de extensionismo tecnológico en materia de impacto, sostenibilidad y replicabilidad, el cual tiene el potencial de promover el desarrollo de comunidades ubicadas en una zona rural de la región San Martín. Todas las actividades de este proyecto denominado “PowerMundo” se han llevado a cabo desde la fecha de enero del 2013 hasta noviembre del 2015, durante un período de dos años y once meses. Como parte del presente trabajo se tiene inicialmente el Capítulo 1, que es el marco teórico de la Tesis, el cual contiene información sobre el extensionismo tecnológico, los proyectos de desarrollo con componente tecnológico y las necesidades humanas. Posteriormente se desarrolla el Capítulo 2, que presenta el marco contextual del proyecto donde se expone la evolución de la electrificación rural en Latinoamérica y Perú, y se detalla la coyuntura de las comunidades rurales de la región San Martín, en las cuales hay una falta generalizada de fuentes de energía con potencial de poder usarse en las tareas cotidianas; esto a su vez permite entender el porqué del trabajo de investigación. Finalmente, en el Capítulo 3 se explica el proyecto “PowerMundo”, se desarrolla la metodología de estudio decidida y se discute los resultados de la investigación. La investigación concluye que una conjunción adecuada entre extensionismo tecnológico y enfoque en desarrollo, libertades, capacidades y/o necesidades básicas insatisfechas puede lograr una eficiente implementación de proyectos de desarrollo; esto, a futuro, permitirá mejorar la calidad de vida de los beneficiados, para continuar con la salida de comunidades rurales del subdesarrollo. En adición, esta experiencia adquirida ha brindado conocimiento sobre una nueva alternativa en proyectos de electrificación rural, la cual es más atractiva debido a su viabilidad y rentabilidad en zonas aisladas, y que ha demostrado un impacto positivo en los usuarios. / Tesis

La presente tesis plantea como objetivo principal identificar los impactos positivos y negativos de los proyectos de electrificación en las zonas rurales del Cusco, en las comunidades de la provincia de Paruro (Yarccacunca, Araycalla), de la provincia de Acomayo (Rondocán), y de la provincia de Paucartambo (Sipascancha Baja, Mashuay, Patacancha, Juan Velasco Alvarado), mediante el reconocimiento de los efectos producidos en la población beneficiaria una vez terminados los PAFE I y II. Ello con el fin de fortalecer las políticas públicas y los procesos de ejecución de proyectos de electrificación rural. Para tal logro, se realiza un análisis de las sub variables e indicadores con una metodología de estudio cualitativa, cuantitativa y participativa que permitió recoger de los propios beneficiarios e involucrados, las percepciones sobre el proyecto de electrificación en sus comunidades y cómo la electrificación ha contribuido a alcanzar niveles óptimos de calidad de vida, así como efectos en el desarrollo de género, interculturalidad, educación y salud. El resultado fundamental es que los proyectos de electrificación pueden sentar las bases para un desarrollo social, pero si no son dirigidos con enfoques de desarrollo específicos, como género e interculturalidad, los resultados son limitados para el logro de capacidades humanas. Si bien se mejora aspectos de la vida cotidiana, básicamente con iluminación y entretenimiento, otros aspectos como educación y salud, no pueden ser favorecidos adecuadamente, si no se les prioriza dentro de programas o proyectos de electrificación. Por esta razón, es vital que en los proyectos en zonas de pobreza se considere cómo el Estado puede potenciar el desarrollo humano mediante la electrificación, dado que el desarrollo productivo no siempre es posible en todas las áreas. En concordancia con los hallazgos, se sugiere principalmente que los proyectos de ampliación de la frontera eléctrica en áreas rurales, incluyan una perspectiva social, más que productiva o de rentabilidad económica, así como un diagnóstico socioeconómico que permita definir si será conveniente un servicio eléctrico para consumo o comercial, además de alianzas entre organismos estatales y ministerios e instituciones privadas, reconociendo las necesidades de género y brechas interculturales. / Tesis

La sociedad moderna depende de la disponibilidad y el acceso a la energía, cuya demanda se ve incrementada producto de su crecimiento. Por lo anterior, es importante contar con nuevas formas de generación y optimización de recursos que aseguren el abastecimiento. En particular, la generación distribuida (GD), donde se aprovechan preferentemente las energías renovables no convencionales (ERNC), es una alternativa para la generación en base a energéticos distribuidos. Asimismo, Chile ha realizado modificaciones legales para que la GD y las ERNC sean reconocidas en los mercados eléctricos. La operación conjunta de recursos distribuidos da origen a las micro-redes, donde se pueden implementar, mediante sistemas de comunicación, esquemas de coordinación como el generador virtual (GeVi). La integración de GD y otros recursos distribuidos bajo el concepto de GeVi tiene numerosas proyecciones en los sistemas eléctricos, entre las que se cuentan el uso eficiente de los recursos locales, un mejoramiento en la calidad del servicio y una disminución del impacto ambiental de la generación de electricidad. Por lo anterior, la implementación de un GeVi se presenta como alternativa para dar solución de abastecimiento a localidades aisladas. El objetivo de este trabajo es contar con una plataforma de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA) aplicada a la “micro-red GeVi” del poblado de Huatacondo, que permita operar el sistema eléctrico de forma eficiente aprovechando los recursos distribuidos con que cuenta la localidad. Se propone una arquitectura de hardware basada en un sistema SCADA tradicional que incorpora elementos particulares de una micro-red, tales como medidores de consumo inteligentes y dispositivos inalámbricos especializados en el control de la demanda de los usuarios. Adicionalmente, se extiende su diseño para lograr control y monitoreo remoto desde cualquier lugar mediante el uso de internet. La arquitectura propuesta sigue los lineamientos del estándar IEEE 1547.3TM. Posteriormente, se implementa la plataforma SCADA en el sistema eléctrico del pueblo siguiendo las directrices del diseño propuesto. Gracias a lo anterior, se cuenta con control y monitoreo de todos los recursos distribuidos, facilitándose el desarrollo y la aplicación de esquemas de coordinación en la micro-red. Además, es posible el monitorear remotamente desde las dependencias del Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Como resultado, se presentan gráficos que muestran la operación de la micro-red mediante la visualización de potencias inyectadas, tensiones por fase, tensión y corriente en el banco de baterías y frecuencias de red, en un período de 24 horas. Finalmente, se concluye que la plataforma SCADA implementada cumple con los requerimientos funcionales impuestos por la micro-red, logrando la operación eficiente y continua del sistema eléctrico de Huatacondo. Entre los posibles desarrollos para continuar con esta línea de trabajo se encuentran: la utilización masiva de dispositivos inalámbricos en los sistemas SCADA, el estudio e implementación de protecciones en micro-redes y el desarrollo de esquemas de coordinación que combinen la operación de múltiples micro-redes utilizando la plataforma diseñada.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Las micro-redes son soluciones sustentables para la electrificación de zonas rurales que pueden hacer uso de sus recursos renovables. En este estudio, se propone un nuevo método para la planificación de micro-redes que incluye explícitamente el efecto de la incertidumbre de variables críticas que definen el diseño del sistema, como lo son las fuentes renovables y la demanda eléctrica. Se propone la utilización modelos difusos de T&S y modelos de intervalos basados en el método de la covarianza, ya que los primeros permiten caracterizar las no-linealidades del fenómeno a modelar, mientras que los segundos pueden representar sistemáticamente las incertidumbres asociadas a dichas variables críticas con un cierto nivel de confianza. Para el diseño de cualquier sistema eléctrico se requiere identificar la dimensión y comportamiento de carga a la cual se desea abastecer a través de su registro continuo y prolongado, lo cual no siempre es posible, especialmente si se trata de localidades aisladas o de difícil acceso. Para solucionar esto, se implementa un simulador de carga basado en Cadenas de Markov, obtenido a partir de la agrupación previa de hogares en función de su información socio-demográfica empleando el algoritmo de redes neuronales Self-Organizing Map . Basado en modelos de intervalos, se obtienen un conjunto de escenarios posibles, en donde se resuelve el problema de optimización de planificación de la micro-red, obteniendo la topología del sistema y el dimensionamiento de cada una de sus unidades. Los resultados obtenidos en este proceso son la base para el estudio de factibilidad y de diseño de un proyecto de micro-red. La metodología propuesta es aplicada para la planificación de una micro-red conectada a la red principal, basada en fuentes solar y eólica, en la comunidad rural Mapuche de José Painecura Hueñalihuen, IX Región de la Araucanía, Chile. En este caso de estudio, se determina que la modelación lineal es suficiente para caracterizar el comportamiento de la velocidad del viento y de la radiación solar, mientras que se requiere de la identificación de un modelo difuso para representar la no-linealidad del comportamiento de la demanda eléctrica. Por otro lado, a través de la identificación de modelos de intervalos, se obtiene que la velocidad del viento presenta una mayor incertidumbre que la radiación solar y la demanda eléctrica. Por lo tanto, el recurso eólico es la variable que mayor influencia tiene en la diferenciación de los distintos escenarios posibles. En función de las características locales y técnicas de cada unidad considerada, junto con los costos estimados y considerando un escenario conversador, se obtiene que el diseño final la micro-red es principalmente compuesta por tecnología fotovoltaica.

Nuevas formas de generación basadas en recursos energéticos distribuidos asociados a cargas locales se han estado desarrollando. Sin embargo, su masificación puede tener un alto impacto en el control del flujo de potencias y frecuencia del sistema. Por lo tanto, se requiere de una arquitectura de control y gestión que permita la inclusión de los generadores distribuidos y el manejo de las potencias activas en el sistema. Una forma de aprovechar el potencial emergente de los generadores distribuidos es tomar un enfoque sistémico que considera a la generación y las cargas como un sub-sistema: una microrred. En este marco y con el objetivo de crear un innovador sistema de coordinación que permita aprovechar en forma económica los abundantes recursos energéticos en Chile, el Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, ha desarrollado una microrred aislada en el poblado de Huatacondo. En esta memoria de título se desarrolla la modelación de dos de las unidades que conforman la microrred aislada instalada de Huatacondo y que son elementos usuales de las microrredes: la unidad de generación fotovoltaica y la unidad banco de baterías de plomo ácido. El propósito es generar un aporte futuro para el desarrollo de un simulador integrado de una microrred. Además, debido a las necesidades del proyecto del Centro de Energía, se propone un estimador del estado de carga de las baterías de plomo ácido basado en el modelo no lineal de Copetti y en la metodología de estimación de estados usando filtro de Kalman extendido. El primer tema abordado es la estimación de los parámetros de 3 modelos de baterías: Thevenin, Randeles y Copetti. En el último caso se propone una metodología para que la relación entre el voltaje de circuito abierto y el estado de carga sea igual a la determinada por el fabricante. El segundo tema abordado es la estimación de los parámetros de un modelo de celda fotovoltaica que incluya el efecto de la temperatura, la dinámica del sol y la orientación de la montura. Por último, se implementa un estimador del estado de carga de las baterías usando el modelo de Copetti adaptado a un filtro de Kalman extendido. Se obtienen resultados auspiciosos con respecto a las ventajas potenciales que podría tener un estimador de estas características. Como trabajo futuro se propone el desarrollo de un simulador de una microrred que incorpore los modelos desarrollados en esta memoria. El objetivo del simulador es ser una herramienta para: la planificación de futuras plantas, el diseño de estrategias de control a nivel supervisor, el desarrollo de un administrador de contingencias, el análisis de la respuesta transitoria del sistema y la estimación de estados del sistema.