Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

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.

Ingeniero Civil Eléctrico / Las micro-redes son sistemas eléctricos que cada día adquieren mayor relevancia como solución al problema producción-distribución de energía eléctrica, entre otras cosas, por el fácil acceso a tecnologías de generación (paneles fotovoltaicos, mini-hidráulicas de pasada, turbinas de combustión, turbinas eólicas) y el avance e innovación que éstas presentan actualmente. Esto difiere del método habitual con que se resuelve la cuestión antes planteada, donde los centros de generación se encuentran emplazados en zonas lejanas a las cargas, para ubicarse ahora en cercanías de ella, usualmente en redes de media o baja tensión. Desde el punto de vista operacional, la presencia de generación en redes de distribución provoca un cambio en el sentido usual de los flujos de potencia, derivando en un funcionamiento incorrecto de los sistemas de protección convencionales, dado que sus esquemas quedan desajustados ante el nuevo escenario de operación. Este dilema representa un tema de investigación importante en ingeniería: desarrollar un sistema de protección dinámico capaz de adaptarse rápidamente a los cambios topológicos u operacionales que la red eléctrica presente. El trabajo de memoria realizado implementa un espacio para la Universidad de Chile destinado a la investigación y docencia de protecciones eléctricas adaptivas en media y baja tensión, dotando a la micro-red del laboratorio de Energías y Accionamiento del Departamento de Ingeniería Eléctrica con dispositivos electrónicos inteligentes para el monitoreo y control de la operación del modelo de red. Estos equipos son instalados y configurados de tal forma de comprobar su correcto funcionamiento. Esta tarea no aspira ser una referencia al momento de evaluar los dispositivos ni los fabricantes de los mismos. Al concluir este trabajo se consigue realizar medidas de variables eléctricas en cada una de las barras monitoreadas de la micro-red, siendo posible observarlas tanto en las pantallas de los equipos como en los software utilizados para su configuración y monitoreo. Empleando en los dispositivos funciones de sobre-corriente que actúen ante un escenario simulado de falla, se logra accionar de manera remota y automática los interruptores dispuestos a la llegada de las líneas de transmisión a cada barra permitiendo una reconfiguración de la micro-red, creando adicionalmente reportes que registran la operación anómala del sistema eléctrico.

Ingeniero Civil Electricista / En el diseño y operación de redes eléctricas donde existen unidades de generación con recursos intermitentes, es necesario evaluar con anterioridad su funcionamiento en distintos escenarios, para lo que resultan bastante útiles los programas de simulación, de manera de realizar una correcta planificación, diseño y evaluación económica. En la actualidad es común encontrar programas enfocados en redes eléctricas de gran envergadura, donde se omiten ciertas consideraciones de pequeña escala, como el desbalance entre fases y la característica predominantemente resistiva de las líneas de distribución, típicas de una microred. Por lo anterior, surge la necesidad de una herramienta capaz de abordar las características particulares de sistemas eléctricos pequeños con generación distribuida. El objetivo de este trabajo de título es disponer de una herramienta que incorpore un algoritmo de flujo de potencia trifásico, que permita simular la operación de una microred desbalanceada. Además la aplicación debe incorporar la modelación de las distintas unidades de generación y almacenamiento, y la incorporación del recursos energético solar, mediante un despacho económico que optimice el uso de los recursos. Se implementa un algoritmo de flujo de potencia trifásico basado en el desacople de las tres mallas de secuencia, mediante compensaciones por inyecciones de corriente, lo que reduce la complejidad del problema matemático. El algoritmo se implementa como una extensión del proyecto MATPOWER que permite calcular flujos de potencia y flujos de potencia óptimos en MATLAB. El algoritmo se valida mediante la comparación con un caso de estudio internacional, obteniéndose un error de 0.0005[p.u.] para los voltajes de fase y 0.811\% para las potencias inyectadas, con un tiempo de ejecución de 0.1[s]. Se incorpora un despacho de unidades que permite dar las consignas de operación a las unidades de generación y almacenamiento de una microred, para un horizonte de simulación determinado. De esta forma, en conjunto con algoritmo de flujo de potencia, es posible simular la operación de la microred en un horizonte de simulación dado. La herramienta es probada con un caso de estudio basado en la microred real de Huatacondo, desarrollada por el Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, obteniendo resultados que reflejan su operación real. Obteniéndose una herramienta que constituye un aporte al análisis, estudio y desarrollo de microredes con generación distribuida.

Ingeniero Civil Electricista / Chile es un país de una geografía bastante peculiar, debido a esto existen localidades aisladas de los grandes sistemas eléctricos que proveen energía al país. Considerando además de este hecho, que el país cuenta con un potencial energético de energías renovables no convencionales importante, que no está siendo explotado. El Centro de Energía de la Universidad de Chile, ha instalado una microrred con generación distribuida que incorpora recursos renovables en la localidad de Huatacondo, ubicada en la primera región. Esta microrred 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. Las entradas relevantes del EMS corresponden a predicciones de los recursos y carga de la microrred. La finalidad de este trabajo corresponde a incorporar un nuevo enfoque en el EMS que opera actualmente en Huatancondo incorporando modelos de predicción para sus entradas que incluyan su incertidumbre. Para lograr esto se diseñaron los modelos de predicción para la potencia eólica de la microrred, ya que es la unidad de generación que presenta mayor incertidumbre dentro de la microrred por lo que sus resultados son significativos para el estudio. Este nuevo enfoque robusto para el EMS permite tomar en cuenta la incertidumbre asociada a la predicción de potencia del aerogenerador. Se utilizaron datos históricos reales de velocidad del viento de la localidad de Huatancondo y de potencia eólica obtenida a partir de la curva de manufactura del aerogenerador de su microrred, además se contó con datos de predicción de velocidad del viento mesoescala proporcionados por el departamento de Geofísica de la Universidad de Chile. También para simular el funcionamiento de la microrred agregando los cambios propuestos, se utilizó un simulador del optimizador del EMS de la microrred de Huatacondo. Se estudiaron modelos lineales AR, ARX y el modelo difuso TS para predecir la potencia eólica, determinando bajo el criterio del menor error cuadrático medio, que el mejor modelo para predecir la potencia del aerogenerador era el modelo TS. Luego para representar la incertidumbre del modelo de predicción seleccionado se analizaron dos técnicas para generar intervalos de confianza difusos, mediante una optimización y mediante varianza resultando más práctica para este estudio la primera. Finalmente se aplicaron las técnicas estudiadas para diseñar un EMS robusto, para ello se aplicó la modelación TS para predicción de la potencia eólica, y a través del intervalo de confianza se determinaron nuevos despachos para el generador diesel y el banco de baterías de la microrred que reflejaran la incertidumbre de predicción. En base a los resultados fue posible notar que efectivamente una mejora en el modelo de predicción de la potencia eólica, resulta en una optimización que obtiene menores costos ya que se acerca más a las condiciones reales. Además se pudo concluir que el enfoque robusto conlleva mayores costos, que el enfoque convencional, pero brinda una mayor seguridad, otorgándole respaldo al sistema por un aumento de costo.

Ingeniero Civil Eléctrico / Los últimos años el cambio climático, los avances en tecnología y la creciente explotación de las fuentes renovables de energía han motivado investigación y desarrollo en torno a la incorporación de estas fuentes a los sistemas eléctricos. Dicha incorporación se ha dado a gran escala en el sector de generación, pero también ha tomado fuerza el último tiempo el desarrollo de micro y nano redes. Estas redes más pequeñas que cuentan con generación mediante fuentes renovables pueden operar conectadas al sistema de distribución o también en modo isla, es decir, de forma autónoma. Por otro lado, el desarrollo de la urbanización ha ido creciendo. En este ámbito, para poder llevar energía eléctrica a nuevos lugares se necesitan expansiones en las redes de distribución (y transmisión en caso de ser necesario), las cuales requieren grandes inversiones. Una alternativa a esto es la generación distribuida o generación en los lugares de consumo en MR o NR. En este trabajo se propone una metodología para diseñar MR y NR, que consta de un modelo matemático para optimizar su tamaño. La metodología se prueba para distintos escenarios geográficos y de consumo. Los resultados, comparados con una herramienta especializada (HOMER), muestran que el modelo funciona correctamente y entrega un resultado cercano al óptimo. Así, se tiene un modelo simple, con pocas variables a considerar y que reduce el tiempo de cálculo considerablemente. Luego, se propone una estrategia de control para operar la NR y demostrar que el dimensionamiento entrega una solución que es estable. El esquema de control primario está basado en control Droop, con el que se controla tensión y frecuencia de la red. Los casos de estudio muestran que la NR se comporta de buena manera ante variaciones en el consumo y generación. Con esto se tiene una metodología de diseño simple, rápida y que entrega buenos resultados para dimensionar NR, especialmente de bajo consumo. Se pueden dimensionar los módulos de forma correcta gracias a que, al tener menos unidades de generación y almacenamiento, el error que hay en el cálculo de su desempeño es menor. Dado esto, simplificar ecuaciones sacrificando detalle, permite tener un resultado correcto (similar al de los cálculos más detallados hechos por herramientas especializadas) en menor tiempo.

Tesis para optar al grado de Doctor en Ingeniería Eléctrica en cotutela con la Universidad de Nottingham, U.K. / En los últimos años, el interés por la protección del medio ambiente y la sostenibilidad energética ha aumentado de manera constante; este hecho ha promovido actividades de investigación y proyectos centrados en fuentes de energía renovable no convencional (ERNC) como reemplazo de los combustibles fósiles. En este contexto, las tecnologías basadas en ERNC ofrecen una solución para integrar recursos energéticos distribuidos donde se ha introducido el concepto Microred (MR) para facilitar la integración de un gran número de microgeneradores, unidades de almacenamiento de energía y cargas. Esta integración se logra utilizando convertidores basados en electrónica de potencia, y por lo tanto, hay un aumento en estos dispositivos en los sistemas modernos de energía eléctrica. La proliferación de convertidores de potencia afectará inevitablemente tanto la calidad de la energía como la estabilidad de los sistemas eléctricos que tienen interfaces basadas en estos dispositivos. En este contexto, dos cuestiones clave que deben abordarse son las siguientes: (i) los desequilibrios y armónicos inherentemente presentes en la MR debido a la naturaleza aleatoria de las cargas y (ii) dado que las microredes son sistemas débiles, la estabilidad entre el convertidor de potencia y el punto de acoplamiento común (PCC). Estas dos cuestiones críticas en microredes se estudian en esta tesis. El primero se analiza considerando sistemas de 4 hilos mientras que el último se estudia considerando un sistema balanceado de 3 hilos. Para gestionar los problemas de desequilibrio y armónicos en microredes de 4 hilos, se proponen dos enfoques. Primero, se propone una metodología novedosa basada en la aplicación de un filtro de potencia activa (APF, por sus siglas en inglés) de 4 hilos. El control del compensador se basa en la Teoría de la Potencia Conservativa (CPT). En el segundo enfoque, se propone un esquema de control cooperativo basado en la CPT para compartir desequilibrios y armónicos en sistemas trifásicos de cuatro hilos controlados mediante control droop. El comportamiento de los dos esquemas de control propuestos se demuestra mediante el uso de prototipos y utilizando las condiciones de operacion una microred real ubicada en Canadá. Para estudiar cómo la naturaleza débil de las MG afecta la estabilidad de la interfaz entre un convertidor y el PCC, se ha realizado un análisis de estabilidad centrado en el bucle de bloqueo de fase (PLL, por sus siglas en inglés), basado en una modelacion del sistema en coordenadas dq. El sistema estudiado corresponde a un convertidor de 3 hilos conectado a una red débil trifásica equilibrada. El rendimiento de este método se valida mediante la simulación con el software Plexim PLECS y se realiza una validación experimental.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universiade do Porto. 2010

Contém errata / Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de especificação de Sistemas de Energia), na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Doutor João Abel Peças Lopes

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008