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Ingeniero Civil Eléctrico / Dada la necesidad energética del país, las pequeñas centrales hidráulicas de pasada aparecen como una buena alternativa para aumentar la capacidad de generación. Al respecto, este trabajo se enfoca en los costos de conexión de varias centrales hidráulicas de pasada al SIC. En primer lugar, se escoge el estero Coyanco como curso de agua para estudio. Se estima caudal y caída neta, para luego, establecer tres posibles centrales hidráulicas de pasada las cuales suman 20,9 MW en total (Cap. 2). Una vez definida la ubicación geográfica de las centrales, se analiza el sistema eléctrico de 110 kV del sector. Se establecen cuatro opciones de conexión: S/E La Laja, S/E Vizcachas, S/E P. Alto y S/E Florida Se analizan las cuatro opciones de conexión, concluyendo que todas cuentan espacio para ampliaciones y son accesibles de llegar hasta ellas con una línea de transmisión (Cap. 3). Luego, se estudia el impacto en la red eléctrica de la incorporación de las tres centrales al SIC, encontrando que la inyección de 20,9 MW no provoca la saturación de las líneas en ninguna de las cuatro opciones de conexión y no produce cambios en la regulación de tensión en las barras de 110 kV de las cuatro subestaciones. Además, el incremento de las corrientes de CC no indica necesidad alguna de cambios en los equipos de las subestaciones existentes. Por lo tanto, las cuatro opciones son técnicamente factibles (Cap. 4). A continuación, se diseñan tres componentes principales: patio de elevación, línea de transmisión y paño(s) de línea para la acometida al STT (Cap. 5). Con este diseño, se estima el valor de inversión (V.I.) de la conexión para cada una de las cuatro opciones de conexión, resultando S/E La Laja la más conveniente.

En todo el mundo existe preocupación por los impactos de la operación de centrales hidroeléctricas sobre ecosistemas acuáticos. Una manera de cuantificar dichos impactos es a partir del grado de alteración hidrológica inducido por la operación de los embalses, que puede estimarse mediante el análisis de series de tiempo de caudales turbinados (STC). En el Sistema Interconectado Central de Chile, la operación de todas las centrales generadoras queda determinada por el CDEC-SIC, que utiliza modelos de despacho de largo y corto plazo, PLP y PCP, respectivamente. Estos modelos minimizan los costos del sistema satisfaciendo la demanda energética de manera óptima. Uno de los resultados de estos modelos son las STC en las centrales hidroeléctricas, que pueden ser utilizadas para estudios de alteración hidrológica. En el presente estudio, son de principal interés las STC de corto plazo (caudales horarios), cuyo grado de alteración hidrológica se puede analizar a partir de Metrics of Hydrologic Alteration (MHA). El Centro de Energía de la FCFM de la Universidad de Chile (CE-FCFM), cuenta con los modelos DeepEdit (Despacho) y MIPUC (Predespacho), réplicas del PLP y PCP respectivamente. Estos modelos consideran, para centrales hidroeléctricas en cascada, que el tránsito del agua ocurre de forma instantánea de una central a otra. De esta manera, el objetivo principal de este trabajo, es implementar una representación de los tiempos de viaje en el modelo de corto plazo, y estudiar el impacto de esta modificación sobre las STC. Para obtener las STC de corto plazo se deben utilizar ambos modelos en conjunto, ya que uno de los datos de salida del modelo de largo plazo (Función de Costo Futuro Esperado) ingresa como dato de entrada en el modelo de corto plazo, que entrega las STC a nivel horario. Para el periodo incluido en el presente estudio, ya existían resultados de estas Funciones De Costo Futuro Esperado, por lo que no fueron necesarias las simulaciones del modelo de largo plazo. Así, el modelo utilizado (y adaptado) en el presente estudio, corresponde solamente al modelo de corto plazo, MIPUC. Con las STC de carácter horario, se calculan las MHA, las que son empleadas para comparar los valores relacionados con los resultados de una simulación con y sin adaptación. En este trabajo se comparan los resultados de tres versiones del modelo: i) versión sin adaptación, ii) versión con adaptación simple (considera tiempos de viaje de valor entero), y iii) versión con adaptación sofisticada (enfoque continuo para los tiempos de viaje). Para estas versiones, se tienen resultados de las MHA, para distintas semanas y valores de caudal (que determinan de forma exógena los tiempos de viaje), con los cuales se confeccionan curvas de frecuencia acumulada para cada MHA, pudiendo determinar niveles de variabilidad de las STC para un valor particular de cada MHA (conocidos de la literatura), que es conocido como “valor umbral” el que al ser superado indica un impacto medioambiental significativo. Los resultados fueron bastante variados para cada MHA, para cada versión del modelo. De esta forma, se realiza un análisis que cuantifica la variabilidad de las STC de ambos enfoques en función de los caudales considerados (inversamente proporcionales a los tiempos de viaje). De este análisis se observa que el efecto de la modificación del modelo es proporcional a los tiempos de viaje. Del total de los casos, se tiene un mayor porcentaje (que avala esta afirmación) para el enfoque continuo (87.5%), que para el enfoque discreto (50%), por lo que se recomienda el uso de la versión del modelo con el caso continuo. Finalmente, la consideración de los tiempos de viaje en el modelo de corto plazo, aumenta la variabilidad de las STC (mayor alteración hidrológica) para más casos en la versión continua del modelo, para los valores umbrales conocidos de las MHA. Esta conclusión final, convoca a la discusión de la incorporación de este factor en los modelos utilizados actualmente en el país, los que velan por una protección al medio ambiente.

En el presente trabajo de título se analiza técnica y económicamente la incorporación de grandes bloques de energía eólica en el sistema de transmisión del SIC. El objetivo es estudiar los límites de transferencia en zonas que incluyen participación de bloques de generación eólica, actuales y proyectados a mediano plazo, en las zonas con mayor potencial eólico, es decir, las regiones de Coquimbo y Bío-Bío. Para estudiar el fenómeno se calculan las curvas de calentamiento de las líneas que se cree serán las más afectadas. Con esto se obtienen las capacidades máximas de transferencia según distintos criterios de seguridad y condiciones ambientales. Considerando los límites anteriores se realizan simulaciones computacionales de las líneas de transmisión con el software DigSilent ®, con las cuales se obtienen las potencias transmitidas por las líneas en escenarios de generación distintos. En estas simulaciones, se incluyen centrales eólicas generando teóricamente a su máxima capacidad, que es el más desfavorable de los casos posibles. Las simulaciones consideran casos de pre y post-falla en escenarios de demanda baja y media, casos en los cuales las líneas de transmisión se ven más sobrecargadas. Como forma de comparación se considera un escenario actual (año 2010) y un escenario futuro (año 2012) para la zona norte; y un escenario proyectado 2012 en el caso de la zona sur. En cada una de esas zonas, se tienen en carpeta proyectos que suman cerca de 200 MW, además de inversiones en el sistema de transmisión. Por otro lado, se realizan simulaciones dinámicas con la finalidad de comprobar que los escenarios simulados fuesen estables en cuanto a la operación y factibles en conformidad con las exigencias establecidas en la normativa vigente y las limitantes técnicas de los equipos de potencia. En el caso de la zona norte se busca encontrar aquellos límites más restrictivos en cuanto a la operación, mientras que para la zona sur sólo se busca comprobar la factibilidad de la operación y la estabilidad antes mencionada. Estos datos fueron empleados posteriormente en un análisis económico, que se realizó en base a simulaciones del software PLP, que permiten un análisis económico que se ajusta a las condiciones reales de operación en el largo plazo. Los resultados de las simulaciones, muestran que efectivamente ante ciertos escenarios de generación, en el caso de la zona norte; y sumando la presencia de contingencias, en el caso de la zona sur, existen situaciones de sobrecarga en las líneas estudiadas, si se considera una alta generación eólica en la zona. La solución propuesta corresponde a una recomendación de operación del sistema ante estas condiciones. Por lo cual, se propone el aumento de la capacidad operacional de transmisión de las líneas en estudio, mediante la desconexión inmediata de un monto de generación eólica ante la presencia de una contingencia. La evaluación económica realizada muestra que con el beneficio anual de la operación con estos nuevos límites es posible pagar un automatismo (EDAG) que permita la desconexión instantánea de un monto de generación eólica. Así también, este beneficio obtenido corresponde al valor máximo que el sistema estaría disponible a pagar a los generadores eólicos ante la desconexión de dichos montos de generación, en vez de la desconexión o disminución de generación proveniente de centrales térmicas de la zona, lo que podría dar origen a la prestación de un Servicio Complementario.

En el actual escenario de fomento y desarrollo de energías renovables en Chile, surge la necesidad de estudiar el impacto que genera esta nueva clase de tecnologías en la operación de los sistemas eléctricos. En esta línea, el presente trabajo contribuye mediante el desarrollo de un modelo de despacho económico para uso como herramienta de programación de la operación, orientado a un sistema que involucre el recurso viento como parte importante de su matriz de generación. En el trabajo se describe, basado en una revisión bibliográfica, el impacto que genera el recurso eólico en los sistemas eléctricos. Se enfatiza los efectos sobre la operación, en donde destacan las consecuencias sobre el control secundario de frecuencia, y los nuevos algoritmos de despacho que abordan la falta de certeza en la estimación del energético primario en una evaluación que incorpora restricciones de seguridad. Para incorporar energía eólica en el esquema general de operación del sistema, es necesario un mecanismo, ajeno a la operación económica, que permita predecir la potencia generada por este tipo de centrales en un horizonte de tiempo definido y con algún grado de certeza. Bajo este contexto, una forma de evaluar el recurso es mediante la extrapolación de perfiles eólicos a partir de datos históricos de viento. Usando dichos valores e incorporando todos los elementos propios de un parque eólico, es posible reducir la información a un par de perfiles que denoten el funcionamiento esperado del parque con una probabilidad de ocurrencia asociada. Estos perfiles se ingresan como dato de entrada a un modelo de programación de despacho económico para un horizonte de tiempo en particular. El modelo de despacho económico propuesto consiste en un algoritmo que minimiza el costo total esperado de operación, bajo diversos escenarios determinados por la existencia de contingencias en adición con los errores de estimación en el viento y los consumos; y en los cuales debe cumplirse la restricción de balance de carga mediante la imposición de restricciones de seguridad basadas en la definición de reservas para regulación primaria y regulación secundaria. Si bien se optimiza en forma conjunta todos los escenarios contemplados, las consignas de potencia y reserva son únicas para el conjunto de estados del sistema. Del modelo se obtienen cinco productos específicos, que son comunes para todos los escenarios en consideración: la consigna de potencia de las centrales, las reservas primarias de subida y bajada; y, las reservas secundarias de subida y bajada. El modelo desarrollado se valida mediante su implementación en un sistema uninodal de tres generadores – uno de ellos eólico – y bajo distintos casos de análisis. Finalmente se implementa el modelo propuesto en estudios de operación de corto plazo del SING, mediante la inserción de un parque eólico de 100 MW de capacidad instalada. Se aprecia, para dos casos particulares de estudio, una disminución en el costo marginal promedio del sistema en 15 [$/MWh] – en comparación con su símil sin recurso eólico – y un aumento en la reserva secundaria disponible debido a cambios de configuración en los ciclos combinados. Dada la suficiente reserva en giro y las elevadas tasas de toma de carga, el sistema posee la holgura suficiente para cubrir los escenarios de viento descritos para el tiempo de simulación sin recurrir a una reasignación de recursos entre las unidades previamente programadas por el predespacho. Como trabajo futuro es evidente la necesidad de estudiar el impacto del viento en el modelo de predespacho, junto con implementar el modelo aquí presentado en estudios online, incorporando dispositivos SCADA en las simulaciones.

El cambio climático se define por la Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) como una “Importante variación estadística en el estado medio del clima o en su variabilidad, que persiste durante un período prolongado”. Los nuevos fenómenos climáticos tendrán efectos en diversas actividades y en particular en el sector eléctrico. Es necesario hacer análisis de estos efectos a largo plazo, con el fin de adaptarse a los sucesos futuros. La presente investigación estudia la forma en que el cambio climático puede afectar al Sistema Interconectado Central (SIC) en Generación, Transmisión y Consumo, durante el siglo XXI. Actualmente el SIC se compone principalmente de energía hidroeléctrica y termoeléctrica. El consumo más importante se ubica en Santiago y, debido a la configuración radial del sistema, este es vulnerable a experimentar congestión en las líneas, puntos donde las condiciones climáticas más hostiles podrían causar riesgo en la seguridad del sistema. En esta investigación se hace un estudio de las variables climáticas en ciertos puntos de mayor vulnerabilidad del SIC y se indican sus posibles efectos. Se realizan estimaciones de demanda eléctrica y se configuran las matrices de generación, para tres escenarios de estudio (Pesimista, Optimista y BAU). Finalmente se hace un análisis de flujo de potencia en el SIC para los escenarios anteriormente indicados, considerando cuatro periodos de evaluación. Se concluye que el efecto de aumento de temperaturas y disminución de precipitaciones reducirá la generación hidroeléctrica y afectará a la eficiencia de las plantas termoeléctricas. En el sistema de transmisión, el aumento de temperaturas producirá disminución de la capacidad de los conductores. En cuanto a la demanda eléctrica, se prevé un aumento debido al crecimiento del PIB y por los nuevos consumos proyectados, por ejemplo: el auto eléctrico y la demanda por sistemas de aire acondicionado. Estos cambios en la demanda producirán un cambio en las curvas de carga, lo que implica nuevos patrones en los peak de demanda. Por lo expuesto, es necesario incrementar la capacidad en el sistema de transmisión. Este sistema deberá ser renovado y ampliado para aumentar la confiablidad, evitar la congestión y acceder a puntos de generación remotos comúnmente asociados a fuentes de energía renovables. Si las infraestructuras de transmisión son insuficientes, existe una clara amenaza a la integridad del sistema.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente / Ingeniero Civil / Se proyecta que impulsado por la denominada ley 20/25 aprobada por el Senado en 2013, al año 2025 el parque generador de energías renovables no convencionales genere un 20% de la energía comercializada en el Sistema Interconectado Central (SIC). Si bien la introducción de este tipo de tecnologías implica contar con energía más limpia desde el punto de vista medioambiental, también involucra desafíos operacionales sobre el sistema eléctrico. Particularmente, la energía eólica tiene una alta variabilidad a nivel intradiario, lo cual implica que el sistema constantemente tiene que compensar las altas fluctuaciones de entrega de energía. Los sistemas de almacenamiento de energía son una alternativa para mitigar el efecto de estas fluctuaciones. El objetivo general de este trabajo es modificar el modelo hidrotérmico de predespacho MIP-UC del Centro de Energía de la FCFM de la universidad de Chile, para poder estudiar los efectos del uso de sistemas de almacenamiento en el sistema interconectado central. Uno de los objetivos específicos más importantes de esta tesis, es contribuir a la identificación de los puntos del SIC donde sería atractiva la aplicación de sistemas de almacenamiento de energía. Usando el modelo MIP-UC modificado, se cuantifican los beneficios de la operación de sistemas de almacenamiento en el SIC en un año se simulación, se realizaron 3 etapas de selección en las que se va acotando la lista los puntos del SIC atractivos. Se establecen 4 puntos del SIC de mayor interés para la instalación de sistemas de almacenamiento: las barras Maitencillo 110, barra Degañ 110 y Ovalle 66 además de un sistema acoplado al parque éolico Sarco II. Posteriormente, se modeló un caso de estudio con 100 [MWh] de almacenamiento en cada uno de esos 4 puntos. Si bien los costos totales del sistema no disminuyeron con el uso de SAE s para el rango de capacidad estudiado, sí se produjo un beneficio en cuanto a la reducción en la operación de centrales térmicas y disminuciones considerables en los costos marginales de las barras con sistemas de almacenamiento, disminuciones del orden del 4%, 8% y 30% respectivamente para las barras estudiadas. Esa reducción en los costos marginales se traduce en una disminución del monto que se cancela por suministro de energía del orden de entre [5,1 MM USD] hasta 94,4 [MM USD] al año dependiendo del tipo de hidrología. Desde el punto de vista de los operadores de los sistemas de almacenamiento modelados, se logran beneficios anuales del orden de 1,3 [MM USD] en Maitencillo 110, 0,7 [MM USD] en Degañ y 1,8 [MM USD] en Ovalle 66, sin grandes fluctuaciones al sensibilizar los resultados con hidrologías y eficiencias de almacenamiento distintas. Con los niveles de almacenamiento estudiados y respecto del caso sin almacenamiento, no se aprecian diferencias significativas en la operación de embalses, que pudiesen afectar las condiciones hidroambientales aguas abajo de los embalses,. Se recomienda finalmente realizar estudios más profundos de instalación de sistemas de almacenamiento en los cuatro puntos del SIC señalados como más atractivos.

Ingeniero Civil Eléctrico / La interconexión del sistema interconectado central (SIC) con el sistema interconectado del norte grande (SING) en Chile, ha sido el tema más comentado del 2013 en el sector eléctrico. El debate comenzó a inicios de este año al presentarse dos alternativas de conexión de forma paralela: un enlace de corriente alterna en 500 kV impulsado por el grupo GDF- SUEZ como un proyecto privado, y una unión en corriente continua incluida en el estudio de transmisión troncal por la Comisión Nacional de Energía (CNE), órgano regulador del gobierno de Chile encargado de la planificación del sistema eléctrico chileno. Ambos proyectos presentan importantes diferencias en términos eléctricos en lo que respecta a la tecnología y a los puntos de conexión. Sin embargo, pocos estudios técnicos se han realizado a la fecha para determinar el efecto de una interconexión de esta envergadura. En el presente trabajo se estudia un fenómeno físico recurrente en interconexiones en corriente alterna de larga distancia, denominado oscilaciones de baja frecuencia (LFO por sus siglas en inglés). Para esto se crea un modelo en DIgSILENT, donde se proyecta el sistema SIC-SING al año 2019. Se estudian dos casos de operación, uno en el cual el SIC envía 1000 MW hacia el SING (N1000) y otro en el que el SING envía 800 MW hacia el SIC (S800). Se realiza un análisis modal para cada flujo de potencia con dos alternativas de conexión distintas, un HVAC como el presentado por SUEZ y un HVDC como el propuesto por la CNE. Se identifica al conectar ambos mediante el HVAC oscilaciones inestables en pequeña señal de frecuencia ∼ 0.5 Hz independiente de la dirección del flujo. Estas tienen su origen en el SING en la gran cantidad de máquinas térmicas a vapor que oscilan a raíz de la interconexión. Este modo desaparece completamente al interconectar ambos sistemas mediante un HVDC, lo que confirma que debe su existencia a la interconexión síncrona entre las redes. Se simulan grandes perturbaciones para corroborar la existencia de otros posibles modos interárea (entre 0.1 y 1 Hz) en el dominio del tiempo solo para la interconexión en HVDC, al ser el enlace en alterna inestable en pequeña señal y se observa que el sistema es estable. Sin embargo, el nivel de amortiguamiento es bajo en el SING al enviar 800 MW hacia el SIC, debido a la lenta respuesta de las máquinas térmicas. Se concluye que es factible realizar una interconexión SIC- SING con un enlace HVDC, mientras que realizar un proyecto en HVAC puede comprometer la calidad y seguridad de suministro del sistema para grandes intercambios de potencia, llevando al sistema al colapso por LFOs no amortiguadas.

Ingeniero Civil Eléctrico / Los sistemas de almacenamiento de energía, en particular en baterías, son un conjunto de tecnologías que gracias a sus diversas características técnicas generan una variedad de aplicaciones que permiten mejorar el funcionamiento de los sistemas eléctricos. El objetivo principal del presente trabajo de título es el de estudiar, proponer y evaluar casos de estudio de problemas existentes o que puedan existir a futuro en el Sistema Interconectado Central (SIC) que puedan ser solucionados con sistemas de almacenamiento en baterías (BESS). Los casos de estudio evaluados fueron los siguientes: el desplazamiento de reserva en giro para mejorar el control de frecuencia; el balance energético que puede existir en el norte del SIC entre la generación renovable y la generación a carbón; y el posible vertimiento de energía renovable debida a la aplicación de criterios de seguridad en la operación del sistema. La propuesta de tener reserva en giro en el norte del SIC mejora la respuesta del sistema. La opción del BESS tuvo mejor respuesta en frecuencia que la alternativa de utilizar Guacolda, central de base que podría proveer la reserva en giro propuesta. Además, con valores de inversión de mercado la alternativa del BESS es más atractiva desde el punto de vista económico. La variación en la generación de proyectos de ERNC en el norte genera problemas en el despacho de Guacolda, debido a los límites de transmisión existentes y por las características técnicas de las centrales a carbón. Dicho problema solo se presenta hasta 2018 con la ampliación del sistema de transmisión de 500 kV. Realizando la modelación horaria del sistema se encontraron zonas donde podría existir vertimiento de energía renovable en un futuro cercano, en los tramos Paposo Diego de Almagro y Pan de Azúcar Las Palmas principalmente. Los BESS podrían solucionar este problema, pero los costos sistémicos son tales que no alcanzan a financiar esta solución. Finalmente, la alternativa de usar BESS en el SIC es factible para el control de frecuencia, pero para los problemas técnicos que podrían existir con el aumento de generación ERNC se requiere profundizar su estudio para analizar el comportamiento dinámico de estos equipos. Además, mejorar los modelos de generación renovable o de las tecnologías de las centrales a carbón, permitirán un análisis mucho más certero frente a los problemas estudiados en el presente trabajo.

Ingeniero Civil Eléctrico / La incorporación masiva de grandes cantidades de tecnologías de generación variable (GV), como la generación eólica y solar, implica grandes cambios en la forma tradicional en que son operados los sistemas eléctricos de potencia, principalmente desde el punto de vista de la regulación de frecuencia. A medida que las tecnologías de GV aumentan, la práctica ha mostrado que los requerimientos de rampa del sistema y de reserva operativa también deben aumentar de forma de mantener los niveles de seguridad y calidad de suministro. Si a esto se le suma el hecho que las fuentes de GV van a ir desplazando a la generación convencional en el abastecimiento de la demanda, menores inercias sistémicas son esperables, y por ende, peor va a ser la respuesta del Control Primario y Secundario de Frecuencia (CPF y CSF, respectivamente). En este contexto, las técnicas actuales de cuantificación de reservas no cumplen los requerimientos dinámicos necesarios para asegurar el seguimiento de las rampas de la demanda neta minuto a minuto y la estabilidad de frecuencia, ya que no consideran restricciones técnicas de las unidades de generación. De esta forma, para lograr altos niveles de GV, manteniendo la seguridad, los sistemas eléctricos requieren incluir nuevas técnicas que aumenten la flexibilidad del sistema. El objetivo del presente trabajo es proponer una nueva metodología de cálculo para la determinación de reservas de sistemas con altos niveles de GV que asegure el balance de potencia activa en operación normal (requerimientos de rampa) y la seguridad del sistema frente a desbalances entre carga y generación (requerimientos de inercia). La reserva de rampa se determina en base a un análisis estadístico de rampas de la demanda neta en ventanas de tiempo de 5, 10 y 15 minutos considerando todas las restricciones técnicas de las unidades de generación convencional. La reserva inercial se dimensiona en base a información histórica de fallas del parque generador de forma tal de determinar despachos de unidades generadoras que aseguren un mínimo de frecuencia permisible en el sistema durante contingencias. Para evaluar los efectos técnico/económicos de las reservas mencionadas anteriormente, se realizaron distintos predespachos de forma tal de comparar los costos operacionales del sistema considerando las reservas propuestas y las reservas secundarias dimensionadas de forma tradicional, tal cual como las determina el CDEC-SING. En base a los resultados, las reservas secundarias dimensionadas de forma tradicional solamente permiten compensar en un porcentaje igual o mayor al 97% de los eventos de rampas de subida de la carga neta en ventanas de tiempo de 10 y 15 minutos durante un año. En cambio, la reservas de rampa de 5, 10 y 15 minutos aseguran la compensación del 97% de los eventos de rampas de 5, 10 y 15 minutos de la demanda neta en un año. Implementar las reservas de rampas en los predespachos no implica un aumento de los costos operacionales del sistema en comparación al caso base, pero sí una mayor seguridad en el seguimiento de la demanda. Con respecto a la reserva inercial, no permitir ninguna activación del EDAC en los despachos resulta infactible para el caso de estudio. Permitir solamente dos escalones del EDAC (frecuencia mínima de 48,9 Hz) implica un aumento considerable de los costos operacionales y la presencia de energía no suministrada. Sí en los despachos se permite hasta el sexto escalón del EDAC (criterio operacional del SING en sus despachos) no se observa una mayor diferencia en los costos operacionales con respecto al caso base.