Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniero Civil Electricista / La operación de un sistema eléctrico requiere de una planificación adecuada para alcanzar niveles de seguridad y eficiencia en el tiempo. Ello requiere de planes de reforzamiento y reconfiguración de las redes para evitar congestiones y sobrecargas en lugares donde se proyecta una alta demanda eléctrica. Ante la esperada llegada de los vehículos eléctricos (VE), se debe considerar el impacto de su conexión en el proceso de planificación y operación de las redes de distribución para evitar problemas de abastecimiento conforme crezca su participación en los parques vehiculares, situación que se observará a medida que la capacidad de almacenamiento de sus baterías aumente, disminuya su precio de adquisición y exista la disponibilidad de puntos de carga en la red eléctrica. Esta tesis se enfoca a determinar el impacto producido por la carga de los VE sobre las redes de distribución de Santiago de Chile, mediante una metodología que estima la demanda de energía y potencia requerida desde la red para abastecer los VE en función de la información exógena disponible de caracterización del parque vehicular y de los patrones de consumo eléctrico de la ciudad. Por medio de los resultados de flujos vehiculares futuros esperados, se evalúa la demanda energética en el sistema para el período 2012 al 2020. Además, mediante un modelo basado en el uso de curvas de carga de alimentadores representativos zonales que recogen los patrones de consumo eléctrico de la ciudad, se determina la potencia agregada de conexión de los VE bajo diferentes escenarios de participación del VE. Los resultados obtenidos indican que en el caso de Santiago el incremento de energía debido a una participación de 10 % de VE del parque en el 2020, que se puede considerar optimista, es menor al 3% de la energía total esperada en el sistema eléctrico, y que a nivel zonal, considerando los patrones de conexión de los usuarios y la potencia de conexión que se utilice, un número importante de VE generará un adelanto en la necesidad de reconfigurar la red luego del año 2015 en aquellos puntos en que actualmente se concentra la demanda eléctrica. Por otro lado los resultados indican que en la etapa de llegada de estos vehículos, la red actual no tendrá problemas para soportar la demanda inicial. Mediante los resultados de esta tesis se concluye que el planificador de la red eléctrica de la ciudad de Santiago debe considerar un plan de gestión y operación que permita un uso racional de las redes eléctricas y de su capacidad en función de la existencia del VE tan pronto exista una cantidad considerable de VE en el parque de la ciudad, lo que no es esperable antes del año 2015-2020. Una vez que la participación sea importante en la práctica los resultados de requerimiento de reconfiguración de la red variaran según las características de cada alimentador y la ubicación de los puntos de carga, y ya no solo zonalmente, por lo que como trabajo futuro se propone revisar cada alimentador para identificar bajo diferentes niveles de inserción eléctrica superior a 10%, los alimentadores que sobrepasan su capacidad de diseño año a año, y elaborar así planes de refuerzo de las redes dentro los plazos necesarios, proceso que debe ser continuo y revisado anualmente por el administrador de la red.

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.

Actualmente, los microinversores están expuesto a grandes variaciones debido a su conexión con la red eléctrica y diversas cargas que reducen la calidad de la energía. Estas ondulaciones son mitigadas empleando capacitores electrolíticos de gran volumen para regular la variación de tensión en el DC-Link (DCL) del microinversor. Por desgracia, este tipo de capacitores limitan el tiempo de vida útil de estos sistemas. Para eliminar la necesidad de uso de estos capacitores es necesario disminuir su volumen, por lo que se requiere el uso de filtros activos controlados para compensar las variaciones de potencia, lo cual implica más hardware, o implementar un controlador que sea capaz de controlar una fuente ondulación en el capacitor DC-Link. Se propone un nuevo controlador para un microinversor bidireccional monofásico de dos etapas que permite el uso de capacitores fílmicos y opera como compensador de armónicos, reduciendo la distorsión armónica total (THD) y pudiendo trabajar como corrector de factor de potencia (PFC) para cargas no lineales, mejorando la calidad de la energía en sistemas tipo smart-grid. La primera etapa consiste en un conversor triple puente activo (TAB) DC/DC que conecta dos arreglos de baterías a diferentes condiciones de tensión y corriente y al capacitor fílmico DCL. La segunda etapa es un inversor de fuente de tensión (VSI) que conecta al DCL y a la red eléctrica con una carga no lineal. Los resultados son validados en simulación demostrando su eficacia para eliminar el THD y, en caso se desee, su funcionamiento como PFC sin el uso de capacitores electrolíticos. / Tesis

Esta tesis consiste en el diseño de un sistema de monitoreo de seguridad en un condominio usando la tecnología Power Line Communication (PLC), comunicación a través de la red eléctrica, dando una aplicación más a esta nueva tecnología emergente y brindando una alternativa de solución para los sistemas de monitoreo actuales. En el primer capítulo se revisará los conceptos básicos de los sistemas de seguridad, además de los principales elementos y proveedores que brinden solución para este tipo de sistemas. El segundo capítulo busca presentar alcances sobre la tecnología PLC, la evolución y características de la tecnología mencionada, además de conceptos eléctricos necesarios para llevar a cabo el diseño de la red, así como también la factibilidad para elegir esta tecnología. El tercer capítulo está centrado en la descripción detallada del condominio, mencionándose las áreas prioritarias de vigilancia, además de las características eléctricas del mismo. El cuarto capítulo abarcará el diseño de la red PLC en sí, viendo aspectos de la jerarquía del sistema, ubicación de las cámaras, además de simulaciones teóricas y pruebas experimentales de conectividad. / Tesis

Analiza un esquema de protección sistemática (WAP o SPS); para la detección anticipada de oscilaciones inestables en las líneas de transmisión que interconectan las Zonas y se plantea una solución al problema que es el disparo de cargas representativas (mineras, plantas, etc.) en el área Sur; todo esto fundamentándose en mediciones remotas y locales de sincrofasores de tensiones mediante los PMUs y las funciones llamadas PSD y OOST que utilizan la primera derivada (slip) y la segunda derivada (aceleración). El esquema WAP analizada en el estudio es ventajoso para el sistema eléctrico peruano porque nos ayudará a tomar la decisión más óptima y rápida. / Tesis

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%.

Actualmente, los microinversores están expuesto a grandes variaciones debido a su conexión con la red eléctrica y diversas cargas que reducen la calidad de la energía. Estas ondulaciones son mitigadas empleando capacitores electrolíticos de gran volumen para regular la variación de tensión en el DC-Link (DCL) del microinversor. Por desgracia, este tipo de capacitores limitan el tiempo de vida útil de estos sistemas. Para eliminar la necesidad de uso de estos capacitores es necesario disminuir su volumen, por lo que se requiere el uso de filtros activos controlados para compensar las variaciones de potencia, lo cual implica más hardware, o implementar un controlador que sea capaz de controlar una fuente ondulación en el capacitor DC-Link. Se propone un nuevo controlador para un microinversor bidireccional monofásico de dos etapas que permite el uso de capacitores fílmicos y opera como compensador de armónicos, reduciendo la distorsión armónica total (THD) y pudiendo trabajar como corrector de factor de potencia (PFC) para cargas no lineales, mejorando la calidad de la energía en sistemas tipo smart-grid. La primera etapa consiste en un conversor triple puente activo (TAB) DC/DC que conecta dos arreglos de baterías a diferentes condiciones de tensión y corriente y al capacitor fílmico DCL. La segunda etapa es un inversor de fuente de tensión (VSI) que conecta al DCL y a la red eléctrica con una carga no lineal. Los resultados son validados en simulación demostrando su eficacia para eliminar el THD y, en caso se desee, su funcionamiento como PFC sin el uso de capacitores electrolíticos. / Tesis

Ingeniero Civil Eléctrico / La necesidad de abastecer de energía a centros aislados de consumo a precios económicamente factibles ha dado pie al desarrollo de las micro redes, las cuales pueden suplir esta demanda utilizando diversos medios de generación, a través de las energías renovables, convencionales y acumuladores. Para controlarlas inteligentemente, se implementan sistemas de gestión de energía encargados de calcular las consignas óptimas para los distintos componentes de la micro red, los cuales se encuentran en pleno desarrollo y presentan múltiples aristas con opciones de mejora, entre ellas, la optimización de la vida útil de las baterías, componente esencial en ellas tanto por su costo de inversión como por su utilidad. Para medir el envejecimiento del banco de baterías, en esta memoria se utiliza un modelo de pesaje efectivo de consumo. Si suponemos que una batería puede entregar cierta cantidad definida de carga a lo largo de su vida útil, entonces se puede medir su estado de salud a través de un contador acumulativo de esta. El pesaje penaliza la utilización del banco a bajos niveles de estado de carga y premia su utilización a niveles altos, sumando una carga mayor o menor a la real respectivamente al conteo acumulativo, provocando que, sujeto a una optimización, se prefiera utilizar la batería en altos niveles de estado de carga para así alargar su vida útil. Para implementar esta curva de pesaje efectivo y el costo de pérdida de vida útil asociado en el sistema de gestión de energía se utiliza una función escalonada por tramos regulada por restricciones lineales enteras mixtas. Se trabajan tres escenarios de los cuales se tienen datos de generación solar, eólica y demanda del pueblo de Huatacondo durante siete días pertenecientes a distintas estaciones del año. Para ellos se encontraron resultados favorables en cuanto a un balance entre una menor pérdida de vida útil del banco y un aumento del costo de operación y mantenimiento del equipo diésel de la micro red para sustentar esto de un 16% proyectando la operación a 10 años, equivalente a unos 16 millones de pesos. Se encuentra que al implementar el modelo de envejecimiento se deja de utilizar diésel para cargar el banco y se prefiere cargar solo con excedente de energías renovables, esto para no incurrir en un doble costo, el de carga de baterías con diésel y el de envejecimiento del banco por su utilización.

Ingeniero Civil Eléctrico / La complejidad del análisis de seguridad de las redes eléctricas se origina, entre otras cosas, por el nivel de incertidumbre asociado a las contingencias que pueden ocurrir, lo cual requiere un gran número de restricciones en el problema matemático de optimización de flujo de potencia con restricciones de seguridad (SCOPF, Security Constrained Optimal Power Flow). En algunos sistemas eléctricos los problemas SCOPF son muy grandes, no siendo posible obtener, mediante la aplicación de métodos tradicionales de optimización, una solución en tiempos razonables. En esta memoria se analizan las propiedades de tres métodos que permiten reducir el tamaño de un problema SCOPF determinístico con contingencias en transmisión (mediante criterio N-1) a través de distintos algoritmos que aseguran obtener la misma solución del problema original no reducido. Además de este análisis se realizan mejoras sustanciales que entregan resultados exitosos en la reducción del problema (número de restricciones) y en los tiempos de ejecución. El primer algoritmo determina, mediante una técnica analítica, las regiones de factibilidad para eliminar restricciones innecesarias/redundantes, generando un conjunto de restricciones umbrales, siendo éstas las necesarias y suficientes que determinan la región del problema de despacho completo. Este método de literatura, se mejoró de manera que entregue además el despacho óptimo. Los otros dos algoritmos, mediante una técnica maestro-esclavo, realizan una búsqueda iterativa de conjuntos reducidos pero relevantes de estados de operación de la red eléctrica y de restricciones. Los elementos relevantes (estados de operación o restricciones) son los que reconstruyen el vértice de la región factible donde se encuentra la solución óptima. Los tres métodos son primeramente estudiados tanto en una red pequeña de prueba para ver su validez y funcionalidad, como en un sistema mediano para ver su desempeño computacional. En el caso de la red mediana IEEE RTS de 24 nodos, el primer método obtiene una reducción del 98% de la dimensión del problema, demorando 996[s] en encontrar el conjunto umbral. El segundo método de búsqueda de estados relevantes reduce en un 85% el tamaño original del problema, tardando 2,01[s]. Para el tercer método de selección de restricciones relevantes se logra reducir un 98% el conjunto original de restricciones en transmisión en 1,66[s], y un 99% el conjunto original de generación y transmisión, en 1,92[s]. Finalmente, una vez determinado el mejor algoritmo (tercer método), éste es mejorado resultando en el Método de Despacho Iterativo, testeado en la red IEEE de 300 nodos, el cual produce una reducción del problema en más de un 99% en términos del número de restricciones y tardando cerca del 20% del tiempo que tardaría un método tradicional. Los conjuntos reducidos pueden informar sobre contingencias y líneas críticas que debiesen ser relevantes para la operación y planificación de la infraestructura en transmisión.