Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniera Civil Electricista / Debido a la geografía Chilena, aún existen localidades aisladas de los cuatro grandes sistemas eléctricos que proveen energía al país. Considerando esta situación y el hecho de que Chile posee abundantes recursos renovables no convencionales para generar energía eléctrica, se plantea la posibilidad de instalar centrales de generación distribuida para estas localidades, de manera de robustecer los sistemas principales ya existentes. El Centro de Energía de la Universidad de Chile, instaló en 2010 una micro-red con generación distribuida en la localidad de Huatacondo, región de Tarapaca, que incorpora recursos renovables. Dicha comunidad, contaba con 10 horas diarias de energía previo a la instalación de la micro-red. Ésta micro-red está diseñada para operar con un EMS (Energy Management System), que realiza los despachos de las unidades, de manera de optimizar los costos de generación. Una de las entradas a este sistema corresponde a la predicción de demanda y además incorpora un sistema de gestión de demanda. El primero de los objetivos de esta tesis es el diseño del bloque de predicción de demanda, para lo cual se utilizaron modelos difusos de Takagi y Sugeno, tomando en cuenta el comportamiento no lineal que presenta la demanda. El modelo está diseñado para entregar las predicciones que el EMS necesita, es decir, para un horizonte de 2 días. Al derivar el modelo, se incluye a las etapas de identificación, un análisis de estabilidad basada en los teoremas Tanaka y Sugeno (1990). El modelo final consta de cuatro reglas y 96 regresores, es decir, la demanda futura depende de la demanda del día anterior. Como resultado, se obtiene un modelo que logra entregar predicciones para horizontes de dos días, con errores entorno al 14%. También se analizó la predicción utilizando el optimizador del EMS, la predicción con modelo difuso tenía un error 11% menor a la predicción usada originalmente, lo que se tradujo en una disminución del 15% de los costos para la optimización a dos días. El segundo objetivo corresponde a desarrollar una metodología para modelar la variación del consumo ante las señales de gestión de demanda, utilizando para esto modelos difusos de Mamdani. La base de reglas se construyó a partir de la información de encuestas realizadas a los habitantes de Huatacondo, a los que se les preguntó sobre su consumo eléctrico habitual y cómo este cambiaria para diferentes señales de gestión. A partir de las encuestas se realizó un perfil base para cada casa los que se compararon con los cambios que dijeron realizarían para diferentes señales de gestión, a partir de esto se extrajeron siete reglas difusas. Los conjuntos de entrada al modelo corresponden a la hora y la señal de gestión, mientras que la salida es la variación esperada en el consumo. Finalmente, se utilizan intervalos difusos para determinar el rango dinámico para el factor de desplazamiento de carga. Esto se probó en el EMS, utilizando dos intervalos de distinta amplitud y comparándolos con el caso sin desplazamiento de carga, obteniéndose que a mayor amplitud del intervalo, los costos disminuyen hasta en un 27%.

Ingeniero Civil Eléctrico / Las micro-redes han surgido como solución para aquellas comunidades que se encuentran aisladas y desconectadas de los grandes sistemas de energía. En estas micro-redes, los recursos renovables de generación son escasos y de alta variabilidad, por lo que es crítico definir un esquema de operación que optimice la operación, que es el sistema de gestión de la energía (Energy Management System - EMS). Una de las estrategias con las que se cuenta, es realizar gestión de la demanda (Demand Side Management - DSM), que busca modificar el consumo de los usuarios. Para diseñar una estrategia de DSM, es de importancia tener una estimación de la respuesta de los usuarios frente a ella, para así determinar entre qué rangos se puede esperar que los usuarios varíen su consumo y determinar qué indicaciones enviar al consumidor para generar una respuesta deseada. En la comunidad de Huatacondo, al norte de Chile, se encuentra instalada una micro-red aislada desde el año 2010. Esta micro-red cuenta con un EMS que se encarga del despacho de la energía y busca minimizar los costos de operación. La estrategia de DSM implementada consiste en un semáforo indicativo que puede mostrar las luces verde, amarilla y roja, correspondientes a aumentar, mantener y disminuir el consumo, respectivamente. Si bien las señales mostradas por el semáforo tienen un significado intuitivo, no se tiene una cuantificación de la respuesta que generan sobre los usuarios, por lo que este conocimiento no se incorpora al proceso de optimización. En esta memoria se aborda el problema de modelar la respuesta para tener una estimación del rango real en el que responderán los usuarios, con el fin de generar una gestión de demanda adecuada sobre ellos y así, optimizar el funcionamiento de la micro-red. Con la obtención de un modelo se posibilita la inclusión de este conocimiento al proceso de optimización del EMS. Dado que se cuenta con pocos datos del DSM funcionando, se desarrolla un simulador de consumo con y sin gestión de demanda para la comunidad, que genera datos que permiten modelar la respuesta de los usuarios en base a la hora y color del semáforo que se tienen como entradas. Este modelo se compara con una tabla obtenida a partir del cálculo de las medias de los datos de entrenamiento. Con esta modelación, se pueden determinar los factores de desplazamiento máximos y mínimos esperados para cada hora. Los resultados simulados en el optimizador fuera de línea del EMS con el método propuesto muestran una disminución de los costos de combustible diésel utilizado, reduciéndose hasta un 3.55% respecto a un caso base sin DSM.

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.

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.

Ingeniero Civil Mecánico / En localidades de difícil acceso, aisladas de la red eléctrica, es común el uso de generadores en base a motores diesel para el abastecimiento de electricidad. Si bien esta solución es fácil de implementar, posee características que llevan a considerar otro tipo de soluciones. Las principales falencias de un generador diesel para el abastecimiento de electricidad son: el alto costo de generación, asociado al costo directo de combustible y costos de mantenimiento del equipo, la disponibilidad de la electricidad y la emisión de contaminantes. En este estudio se busca solucionar los problemas de generación eléctrica de trece escuelas de la comuna de Quinchao, perteneciente al archipiélago de Chiloé. Actualmente la generación eléctrica en estas escuelas se realiza mediante generadores diesel, por lo que el concepto de disponibilidad se torna crítico, considerando que una falla en el equipo significa la suspensión de las jornadas escolares. Es por esto que se busca estudiar sistemas de generación eléctrica complementarios al sistema convencional, que funcionen con fuentes de energías renovables no convencionales (ERNC) solar fotovoltaica y eólica. Se utiliza para esto un software de simulación de sistemas híbridos de generación llamado Homer Energy, el cuál utiliza un criterio de selección económico, que se complementa con criterios técnicos de calidad y confiabilidad de equipos, para resolver qué configuración es la mejor para solucionar los problemas de generación en las escuelas. Para ello se realiza una diferenciación de dos grupos de escuelas: pequeñas (grupo A) y grandes (grupo B). Se selecciona una escuela del grupo A y dos escuelas del grupo B para realizar mediciones relacionadas a la calidad de los recursos energéticos solar y eólico y al consumo eléctrico a lo largo del día, ambos parámetros necesarios para realizar una correcta simulación. Esto se integra con una selección acabada de equipos de cada una de las tecnologías consideradas para componer el sistema de generación. Esta selección se realiza en base a equipos presentes en el mercado chileno, poniendo énfasis en las condiciones climáticas bajo las cuales deben trabajar. Realizada la simulación para un periodo de funcionamiento de 10 años y bajo los criterios económicos y técnicos implementados, se obtiene que para escuelas pequeñas, la configuración óptima consiste en un sistema híbrido FV-Diesel con almacenamiento. Mientras que para escuelas grandes, la configuración óptima consiste en un sistema híbrido FV-Eólico-Diesel con almacenamiento. En ambos casos se obtiene una reducción de los costos totales de generación y lo que es más importante, un aumento en la disponibilidad de la electricidad en las escuelas.

No autorizada por el autor para ser publicada a texto completo / El Parque Natural Karukinka es un área protegida privada de 312.000 hectáreas ubicado en Tierra del Fuego, extremo sur de Chile. Sus instalaciones son antiguas instalaciones ganaderas y forestales que han sido reacondicionadas para el soporte de actividades de investigación y de turismo tendientes a la conservación. Dichas instalaciones carecen de sistemas eléctricos eficientes, lo que motiva la realización del presente proyecto de diseño y dimensionamiento para dichos sistemas buscando, de esta manera, constituir una herramienta facilitadora para el desarrollo exitoso del proyecto de conservación. El presente trabajo incluye el diseño de cuatro sistemas eléctricos híbridos aislados de la red e independientes entre sí, que combinan generación Diésel con aquélla basada en energías renovables no convencionales (ERNC), las cuales se restringen, en este caso, a las energías fotovoltaica y eólica. Los medios de almacenamiento energético considerados son los bancos de baterías de ciclo profundo y el hidrógeno. Para llevar a cabo el proceso de diseño, se procede a caracterizar de manera detallada la disponibilidad del recurso eólico y solar en los puntos de interés dentro del parque, al mismo tiempo que se generan los perfiles de demanda mensuales, según la operación actual o proyectada para cada punto de interés dentro del parque. Por otro lado, se determinan las principales componentes del sistema híbrido, caracterizándolas de manera teórica, obteniendo los parámetros que las definen en la práctica para el rango de potencias considerado, y realizando finalmente la definición de los costos asociados a cada una de ellas. Posteriormente se evalúan las distintas alternativas de suministro eléctrico factibles para satisfacer la demanda, optimizándolas de acuerdo al costo presente neto (CPN), al mismo tiempo que se analizan las emisiones de CO2 que produce cada una, observándose que a pesar de las diferencias en las demandas y en los recursos energéticos, los sistemas híbridos óptimos incluyen las mismas tecnologías. Se demuestra así la importancia de incluir bancos de baterías para disminuir la energía excedente y las emisiones atmosféricas. De igual manera, se concluye que los sistemas óptimos son los que combinan generación Diésel y eólica con dichos bancos de baterías, notándose además la conveniencia de ampliar la potencia eólica instalada para lograr una paulatina disminución de las emisiones de efecto invernadero. También se demuestra que la tecnología fotovoltaica, a pesar de presentar ventajas técnicas y ambientales, no es una alternativa óptima principalmente debido a la baja disponibilidad del recurso y a las deficiencias que presenta para complementarse (dados los perfiles de carga y de generación) con la energía eólica para lograr sistemas más eficientes. Similar conclusión se demuestra para las tecnologías relacionadas con el hidrógeno, las cuales, principalmente debido a sus altos costos de inversión actuales, no son una alternativa factible de ser introducidas en los sistemas analizados. Se espera con el presente proyecto, fomentar la introducción paulatina de la energía eólica de microescala a distintas instalaciones ganaderas, forestales o residenciales en Tierra del Fuego, así como constituir una base de interés y estudio para la realización de proyectos de similar naturaleza en otras zonas de nuestro país que requieran de suministro eléctrico a través de sistemas híbridos aislados.