No autorizada por el autor para ser publicada a texto completo hasta el año 2011 / Considerando que en el país los servicios complementarios todavía no poseen un marco reglamentario y aún quedan temas por analizar, esta memoria aborda los servicios de control de frecuencia y la forma en que éstos deben operar técnica y económicamente. Se realiza una revisión de los distintos fundamentos de la operación técnica y económica del control de frecuencia en el sistema español, argentino y uno de los sistemas norteamericanos denominado PJM. Asimismo, se realiza una revisión de los servicios complementarios de control de frecuencia en Chile, señalando cuáles son las exigencias de la norma técnica y cómo se lleva a cabo su operación actual. Adicionalmente, se presenta una descripción teórica del control de frecuencia y se muestran los modelos básicos de distintos tipos de tecnologías (hidráulicas y térmicas). En función del conjunto de antecedentes, se presenta la propuesta técnico-económica, mostrando el comportamiento de máquinas térmicas e hidráulicas aisladas ante la variación de distintos parámetros. A partir de estas respuestas es factible reconocer los parámetros que explican el mal desempeño de una máquina de manera de poder descartar estos casos en simulaciones del sistema en su conjunto. Se seleccionan algunas configuraciones de máquinas y parámetros para ser utilizadas en las simulaciones de escenarios de distintas configuraciones del sistema, es decir, sistemas compuestos principalmente por máquinas térmicas, sistemas compuestos preponderadamente por máquinas hidráulicas y sistemas mixtos. De las simulaciones realizadas se demuestra que no solo es necesario saber cómo se comporta un determinado tipo de máquinas, sino que también la composición de máquinas del sistema. Se constata que existen máquinas que reaccionan más rápido al momento de regular frecuencia, mientras que otras son muy lentas y en algunos casos ni siquiera pueden efectuar una acción de regulación. Por medio de simulaciones, se comprueba que se alcanzan mejores resultados al efectuar una regulación con un conjunto de maquinas en vez de una sola o un grupo pequeño. En un sistema en que una máquina no aporta reserva y es reemplazada por otras, se verifica que mientras mas máquinas se repartan la reserva faltante menor resulta la desviación de frecuencia final. Con respecto al análisis económico se analiza un sistema similar al español, donde la regulación de frecuencia primaria es obligatoria y la secundaria es por medio de un mercado. Además, se entrega la posibilidad de que las centrales que no realicen la acción de regulación puedan compensar la acción reguladoras de otras unidades. Asimismo, el conjunto amplio de casos presentado en este trabajo se aprecia como un material docente que puede complementar de manera adecuada las temáticas tratadas en cátedra en cursos de especialización. Por último, cabe señalar que se propone como trabajo futuro un análisis que incluya el modelo del SIC para evaluar el comportamiento de la regulación de frecuencia con los parámetros que éste posee y así poder incluir el sistema de transmisión.

Ingeniero Civil Electricista / Los dispositivos de almacenamiento de energía permiten mejorar la calidad y seguridad del suministro eléctrico. En este trabajo se presenta el dispositivo basado en una masa girante, denominada volante de inercia, conectada a una máquina eléctrica con el propósito de transformar la energía eléctrica en cinética rotacional y viceversa, sistema denominado FESS (Flywheel Energy Storage System). Se presenta como objetivo principal modelar, controlar y simular un FESS aplicado a regulación de frecuencia y como objetivo secundario buscar, desarrollar y evaluar posibles aplicaciones de este dispositivo en los sistemas eléctricos chilenos SIC y SING. Para alcanzar los objetivos el trabajo se divide en dos partes. En la primera parte se realiza un modelo detallado del FESS, diseñando y ajustando para éste un control de potencia activa mediante el programa Matlab Simulink. Se analiza su comportamiento ante distintas condiciones iniciales y perturbaciones, demostrando que el FESS tiene una respuesta rápida, precisa y robusta. En la segunda parte se programa un modelo simplificado del FESS junto con su control en Digsilent PowerFactory, se verifica que el comportamiento del FESS modelado es comparable con el anterior y se conecta a los sistemas SIC y SING. En el SIC se realiza un control de transferencia que demuestra ser eficiente para mantener el criterio N-1 del tramo controlado siendo económicamente un proyecto desfavorable por la alta inversión inicial. Se presenta luego una segunda aplicación que permite evitar el vertimiento de energía eólica, demostrando que el FESS resuelve uno de los impactos negativos a la red por la generación intermitente de fuentes renovables. Su evaluación económica se estima altamente riesgosa debido a que su operación depende que dos sucesos se produzcan simultáneamente. El modelo aplicado en el SING ayuda a mejorar la velocidad de respuesta de la reserva en giro asociada al generador frente a perturbaciones de la red, ayudando también a obtener una mejor respuesta en el sistema. Su evaluación económica es favorable dado que el generador con costos variables bajos presenta una mayor venta de energía dado el aumento de potencia por la instalación del FESS. Los objetivos fueron alcanzados satisfactoriamente. Se propone como trabajo futuro estudiar la parte mecánica del dispositivo como también realizar estudios relativos a la optimización del FESS, tanto en su control como en su conexión a la red.

La operación estable de los sistemas eléctricos requiere que en todo momento la generación de energía iguale a la demanda, para que la frecuencia del sistema se mantenga cercana a su valor nominal. Un desbalance entre la potencia activa generada y demandada se traduce en una variación de la frecuencia eléctrica del sistema, la que si no es restablecida con prontitud puede conducir a desconexiones de carga, acción de control que significa para el usuario final la pérdida del suministro constante de energía. En el SIC, el actual esquema de regulación de frecuencia lo conforma una máquina hidráulica de embalse, cuyo estatismo es seteado en un valor muy cercano a cero y que cuenta con un margen de potencia que le permite compensar los desequilibrios de oferta - demanda, y otras unidades que son operadas con estatismos del orden del 5 %. Sin embargo, como consecuencia del sostenido crecimiento que ha experimentado la demanda del SIC, el margen de reserva requerido por el sistema para la regulación efectiva de frecuencia ha ido en aumento, lo que hace que las unidades de embalse que tradicionalmente realizaban la regulación y que tienen una capacidad limitada de generación (~100 [MW]) ya no sean capaces de operar por los márgenes de regulación que el sistema requiere, quedando inhabilitadas para ejercer como unidades piloto. El objetivo del presente trabajo es revisar la aplicación de un esquema distribuido de regulación de frecuencia, consistente en la acción de varias unidades del sistema regulando frecuencia, sin la existencia de una unidad piloto. La metodología presentada consta en una primera etapa de la realización de un despacho económico considerando explícitamente el despacho de reservas de potencia, modelo de optimización lineal que incorpora restricciones de transmisión, de disponibilidad hídrica y generación, del que se obtienen los niveles óptimos de generación y reserva para las unidades del sistema. En una segunda etapa, se busca la valorización de las reservas requeridas por el sistema para hacer frente a las variaciones instantáneas de la demanda, para lo que se consideran datos de la operación real del sistema bajo distintos escenarios de demanda por un horizonte de 24 horas. Dicha valorización de reservas es contrastada con el caso base, en que la regulación de frecuencia para cada escenario se realiza con una unidad piloto. Los resultados muestran que el esquema de regulación de frecuencia de carácter distribuido no reduce los costos de operación del sistema, aunque tiene la ventaja de que se evita comprometer en sólo una unidad los márgenes de reserva que requiere la operación con una unidad piloto. Contar con un mayor número de unidades, cada una de éstas con reservas menores en promedio, reduce las pérdidas por eficiencia de las máquinas reguladoras y posibilita un control mucho más robusto de la frecuencia del sistema ante contingencias importantes, permitiendo una operación con mayores niveles de seguridad. Además se evita que en escenarios hidrológicos secos, las reservas de la unidad piloto se vean comprometidas, pues la obligación de la prestación de este SC recae en una importante proporción sobre unidades térmicas.

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