Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Las microrredes son una alternativa viable para suministrar electricidad a comunidades, con la particularidad de facilitar la integración de fuentes de energía renovables. Esta solución requiere de la cuantificación de su sustentabilidad, con el objetivo de establecer si el sistema perdurará en el tiempo, manteniendo sus funcionalidades. Sin embargo, el concepto de sustentabilidad es difícil de definir y llevar a la práctica, principalmente por las dificultades en su cuantificación. En esta tesis se propone una metodología de monitoreo de microrredes basada en la resiliencia, por ser un atributo de la sustentabilidad, como una forma de hacerla práctica y cuantificable. La resiliencia es un concepto tomado de la ciencia de materiales, definido como la capacidad del material de soportar fuerzas externas que lo deforman, sin producir alteraciones permanentes. En este sentido, al considerar la respuesta de los distintos elementos que constituyen la microrred ante estímulos externos, y sus interacciones, será factible cuantificar si el sistema es capaz de soportar las consecuencias de estos estímulos y recuperarse. Consecuentemente, una microrred resiliente es aquella que tiene la capacidad de regresar a su estado original, cuando es sometida a perturbaciones de tipo social, ambiental, técnica y/o económica, entendiendo estado original como las condiciones de operación previas a la perturbación. La metodología inicia con el análisis de la microrred como sistema socio-técnico, luego se pasa a la selección de indicadores, y finalmente se establecen los índices de resiliencia. Los indicadores seleccionados se agrupan en las siguientes cinco categorías: administración ambiental con dieciocho indicadores, avance tecnológico con dieciséis indicadores, desarrollo social con veintitrés indicadores, desarrollo económico con once indicadores y desarrollo de la gestión diecisiete indicadores. Se definen tres índices de resiliencia, los que construyen a través de una ponderación lineal de los indicadores de desempeño, reflejando su contribución en las tres facetas de resiliencia: evitar, soportar y recuperar. La propuesta es validada en el Sistema ESUSCON, en Huatacondo, para demostrar su aplicabilidad y utilidad en el seguimiento de microrredes. El análisis se realiza para el periodo comprendido entre enero de 2011 y setiembre de 2013, basado en la información disponible, lo que permitió evaluar doce indicadores de desempeño, los que a su vez permiten una estimación mensual de los tres índices de resiliencia. En el ámbito de la investigación futura se sugiere analizar la relación entre resiliencia y vulnerabilidad, que aporte al análisis de la dinámica del sistema en estudio, junto con desarrollar temas de modelación de sistemas socio-técnicos.

Ingeniero Civil Eléctrico / En el presente trabajo se propone un modelo de matemático de optimización maestro-esclavo entre un despacho económico (maestro), retroalimentado con un análisis de estabilidad de pequeña señal (esclavo). El modelo propuesto determina si una solución, determinada mediante una optimización algebraica (maestro), es estable (o no) mediante el cálculo de sus valores propios (esclavo) e itera hasta encontrar una solución que es tanto económica como estable. El método consiste en definir un problema maestro como etapa de optimización económica, caracterizada por un modelo de flujo optimo convencional (OPF, por su nombre en inglés: Optimal Power Flow), mientras que el problema esclavo o etapa de estabilidad es el encargado de determinar las ganancias de control droop (de cada unidad de generación conectada mediante un conversor) para estabilizar el despacho obtenido por el problema maestro. Si dicho despacho no puede ser estabilizado, entonces se itera insertando una restricción (o corte ) de factibilidad en el maestro hasta obtener una solución de mínimo costo (de forma local) que sea estable en pequeña señal. Se proponen dos versiones del modelo dependiendo si el maestro corresponde a un DC-OPF o uno AC-OPF. Dichas formulaciones son testeadas con micro-redes de dos y tres micro-fuentes. Esta tesis demuestra que estas formulaciones resuelven exitosamente el despacho coordinado (definiendo tanto la inyección de las unidades en potencia activa y reactiva, como las ganancias de los controladores) para sistemas de dos y tres micro-fuentes. Más aún, en el problema de dos micro-fuentes, la aproximación DC-OPF resulta completamente convexa por lo que la solución encontrada corresponde a un óptimo global.

Ingeniero Civil Eléctrico / Las micro-redes se han presentado como un tema de gran interés en la comunidad científica producto de la capacidad que tienen éstas de romper con los paradigmas tradicionales de generación, en donde logran incorporar diversas tecnologías de generación en las cercanías de la demanda. Estos se conoce como generación distribuida. Lo anterior permite a pequeños centros de consumo tener la posibilidad de autoabastecerse, además de tener la capacidad de autogestión e independencia de un ente centralizado. En este mismo contexto, las microredes permiten a zonas completamente aisladas tener acceso a la energía, sin la necesidad de depender de una expansión de la transmisión para tener un punto de inyección. Durante los últimos años se ha hecho una gran cantidad de investigación respecto a los desafíos y problemáticas de este tipo de redes y las soluciones que se plantean. Dichos desafíos han generado cambios en la concepción de los esquemas que pueden conformar una micro-red, a diferencia de los sistemas eléctricos convencionales. Estos cambios han priorizado los esquemas de control, pero en años recientes, los esquemas de protección se han instaurado como un tema de importancia producto de la constante expansión y actualización que sufren los sistemas eléctricos. El objetivo de esta memoria, es la implementación de una novedosa experiencia de laboratorio dirigida al estudio de nuevos esquemas de protección aplicados en sistemas de potencia con generación distribuida y micro-redes. La meta de la experiencia, es el de contribuir al perfil de egreso de los estudiantes a partir de la comprensión y análisis de las nuevas dificultades presentadas en el área de protecciones y sus posibles soluciones. Lo anterior, generado a partir de un enfoque práctico. En este contexto, la metodología propuesta para la creación de la experiencia permitirá a los alumnos evaluar la experiencia y poder incluir posibles mejoras a ésta a partir de una encuesta. Los resultados obtenidos a partir de las encuestas realizadas en las actividades demuestran que, tomando en consideración la opinión de los alumnos y su evaluación de la experiencia, hubo un aumento en cada uno de los ítemes señalados, logrando ponderaciones superiores a 4 en la segunda experiencia en en una escala de Likert de 1 a 5. En este mismo contexto, se valida la encuesta y sus resultados a través del coeficiente alfa de Crobach, obteniendo los dos niveles más altos que se pueden obtener a partir del criterio utilizado por los autores George y Mallery. De esta forma, se presenta una metodología capaz de ser replicada para la creación de otra experiencia práctica y se crea una novedosa experiencia que refuerza las capacidades de los alumnos en temáticas de protección.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniero Civil Electricista / Las microrredes se presentan como una solución frente a los problemas de integración de energías renovables a los sistemas, alimentación de zonas aisladas y una alimentación eléctrica sin interrupciones. Una solución para ello es la implementación de sistemas de control jerárquicos compuestos por un control primario, un control secundario y un control terciario. En general se trabaja con un control primario mediante curvas de estatismo que permite evitar el uso de líneas de comunicación al ser un control distribuido; y un control secundario y terciario centralizados cuyas funciones son restaurar la frecuencia y voltaje a su valor nominal y optimizar la operación de la microrred en cuanto a características económicas. En esta tesis se presenta un sistema de control de tres niveles, de los que se diseña e implementa en Simulink el control primario y secundario, dejando planteada la conexión con el terciario. El control primario utilizado es distribuido, opera mediante curvas de estatismo y tiene la función de permitir compartir potencia entre los inversores; en cambio, el control secundario es centralizado y restablece el voltaje y frecuencia de un sistema a sus valores nominales. El control terciario consiste en un EMS que minimiza los costos de operación de la microrred de acuerdo a predicciones de los recursos disponibles y sus costos. El problema en estudio se compone de dos partes. En primer lugar, se debe analizar la estabilidad de la microrred, para lo cual ésta se analiza de forma independiente en el control primario y secundario. Para ello, el primario utiliza un análisis de estabilidad en pequeña señal, mientras que el secundario un análisis de polos a través de la ecuación característica del sistema. En segundo lugar se estudia el retardo en la comunicación entre el control secundario de frecuencia y los inversores, para lo que se estudian estrategias de control que utilizan predictor de Smith y variaciones éste, así como también control predictivo. Los resultados obtenidos permiten observar que el sistema comparte carga de acuerdo a lo indicado por la teoría, independiente de la carga conectada a cada inversor y los valores de potencia máxima de cada uno, manteniéndose la estabilidad del sistema. Además, se presenta el controlador PI con predictor de Smith con filtro pasa-bajo como la solución al problema de retardo en la comunicación debido a que al ser diseñado para un retardo dado es más robusto que los otros controladores, ya que a medida que aumenta el retardo de la planta y se mantiene el de diseño mantiene la estabilidad para retardos mayores que los otros controladores, sin tener un tiempo de estabilización mayor como ocurre con el controlador predictivo. Finalmente, la simulación permite comprobar que se cumplen los valores máximos determinados mediante un estudio de sensibilidad del sistema, así como también los valores de diseño de los controladores.

Ingeniero Civil Eléctrico / En la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM), Universidad de Chile-Santiago de chile, en el cuarto piso del Departamento de Ingeniería Eléctrica (DIE) se encuentra el Laboratorio de Energía y Accionamiento. En este laboratorio hay una red eléctrica que se utiliza con fines docentes en diversos cursos del DIE. Uno de estos cursos exige que el sistema de protecciones opere de forma coordinada (mientras la red simula ser una Micro-Red), sin embargo, actualmente esta red no cuenta con los equipos y dispositivos necesarios para este fin. De esta forma se pretende implementar un esquema de protecciones Look up Table adaptivo en esta red. Bajo este contexto surge la necesidad de determinar las distintas curvas de protecciones necesarias en cada dispositivo de protección, para que de esta forma se pueda contar con estas configuraciones al momento de implementar este esquema de protecciones adaptivo en el laboratorio. Para poder obtener los resultados se empleó el uso del software Power Factory Digsilent. En dicho software se construyó la red del laboratorio junto a los elementos que tendrá esta una vez que se encuentre operando como Micro-red. Se realizaron estudios de corrientes de fallas en las diversas topologías que se puedan presentar. De esta forma se obtuvo la curva necesaria en cada estado de operación (topología de la red) para cada dispositivo de protección. Además se realizó una comparación de desempeño con un esquema tradicional fijo configurado solamente con respecto a la red externa. Entre las principales conclusiones se puede mencionar que una estrategia adaptativa con protecciones de curvas ajustables tiene un mejor desempeño que un esquema tradicional con dispositivos de ajuste fijo. Por otro lado sólo es necesario coordinar los dispositivos con respecto a aquellas barras que poseen elementos capaces de imponer frecuencia y tensión y que al haber generación distribuida se forman distintos caminos de coordinación , por lo que se deben implementar dispositivos direccionales.

Doctor en Ingeniería Eléctrica / Las micro-redes están convirtiéndose en un componente clave de la red eléctrica futura, las cuales representan la combinación de tecnologías de información y comunicación, junto con fuentes de energía y cargas, en un sistema unificado y activo. Los beneficios de las micro-redes han promovido esfuerzos globales para expandir su penetración en los sistemas eléctricos. Sin embargo, todavía hay algunos desafíos relacionados con su diseño, control y operación. Uno de los problemas más importantes por resolver es el desarrollo de nuevos sistemas de protección, considerando que los esquemas convencionales, diseñados para flujos de potencia radiales, y con altas magnitudes de corrientes de falla, no funcionarán correctamente en este nuevo entorno. El uso de un adecuado sistema de protección es esencial para el funcionamiento seguro y confiable de la micro-red. La adopción de un sistema de protección adquiere mayor relevancia dada la presencia de fuentes de energía altamente variables, con cambios continuos en las condiciones de operación y topológicos. En este sentido, los enfoques de protección adaptativos están siendo considerados como una solución viable, ya que su función protectora cambia en función del comportamiento de la micro-red, satisfaciendo los requisitos de confiabilidad, selectividad, rapidez y sensibilidad. En esta tesis, se presenta un novedoso sistema de protección adaptativo para micro-redes. El esquema de protección se basa en funciones protectoras que incluyen diferentes elementos, operando de manera coordinada. Entre las principales contribuciones de la tesis se encuentra la conceptualización del problema de las fallas y anomalías en las micro-redes. Además, se destaca la forma en que se adaptan los parámetros de los dispositivos de protección, utilizando un enfoque de optimización robusta, resolviendo un conjunto finito de escenarios de falla. Los escenarios se generan en función de las predicciones sobre la energía disponible y demanda. Para cada paso de decisión, un problema de optimización robusta se resuelve en línea, basado en el pronóstico con una banda de confianza para representar la incertidumbre. Asimismo, el sistema de protección realiza un diagnóstico de las plantas fotovoltaicas, para detectar fallas y definir sus condiciones de operación. El sistema de protección fue probado y comparado utilizando datos reales de una micro-red existente en Chile. Los resultados obtenidos muestran que el dispositivo de protección propuesto fue capaz de despejar las fallas. Por ejemplo, en la configuración radial, la metodología propuesta eliminó el 100% de las fallas; mientras que una metodología alternativa lo hizo en el 92%. En la configuración de malla, la metodología propuesta despejó el 96% de las fallas; mientras que la alternativa lo hizo en un 75%. Asimismo, la metodología de detección de fallas de las plantas fotovoltaicas fue sensible a los cambios en las condiciones de operación. El modelo de celda fotovoltaica obtuvo un coeficiente de determinación de 0,992 para el voltaje, y 0,999 para la potencia, lo que significa que se logró un buen ajuste del modelo. Como trabajo futuro, se deberán abordar sistemáticamente los problemas de confiabilidad relacionados con fallas en el sistema de comunicación. Finalmente, se deberán considerar dentro de la metodología las acciones correctivas realizadas por los sistemas de gestión de carga, con el fin de mejorar el rendimiento del sistema de protección. / Este trabajo de tesis ha sido financiado por: Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica de Chile Universidad de Costa Rica

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de mestrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de especialização em Sistemas de Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

Tese de mestrado. Mestrado integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2007