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 Electricista / En la actualidad, existe un inmenso interés internacional por el desarrollo de tecnologías de generación con fuentes renovables. Particularmente, la tecnología de concentración solar ha alcanzado suficiente madurez para ser incluida en el mercado de generación y se espera que dentro de los próximos años sea una tecnología presente en la matriz energética de Chile debido principalmente a las condiciones privilegiadas de radiación en el norte del país y también por los incentivos por parte del Estado y también de privados para invertir en esta tecnología. Debido a que en una planta solar no es posible manipular la fuente de energía primaria (radiación solar), el objetivo general del presente trabajo consiste en el diseño de una estrategia de control predictivo basado en modelos (MPC) a nivel supervisor para una planta con colectores cilíndrico parabólicos, que permita aprovechar al máximo el recurso disponible. El trabajo se ha realizado utilizando el simulador de planta solar ACUREX, desarrollado en Matlab-Simulink, el cual representa el comportamiento del lazo de colectores de la plataforma solar de Almería, España. Los modelos predictivos de la planta desarrollados consisten en modelos lineales ARX (autorregresivo con entrada exógena) y ARIX (autorregresivo integral con entrada exógena); y un modelo no lineal difuso de T&S (Takagi & Sugeno), los cuales consideran como variable de salida a la temperatura de salida del aceite del campo colector y como variable de entrada su valor de referencia. Debido a que los modelos ARIX y de T&S presentan los mejores resultados, se propone el diseño de una estrategia de control predictivo a nivel supervisor en base a ambos modelos. Los resultados obtenidos muestran que su implementación reduce el error de seguimiento en 1%, se evita sobreimpulso en el sistema y se limita los cambios en la energía de control, haciendo el funcionamiento del sistema más seguro. En base a pruebas por simulación, se concluye que el MPC difuso supervisor basado en el modelo de T&S mejora el desempeño de la planta frente a cambios en la referencia y en condiciones anormales de operación en comparación con el control regulatorio original. Como líneas de investigación futuras se propone entregar robustez al sistema por medio de la integración de incertidumbre paramétrica en el modelo, incluir criterios económicos de operación e implementar el sistema de control en una futura planta solar en Chile.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica. Ingeniero Civil Eléctrico / Actualmente existe un gran interés y compromiso en aumentar la generación eléctrica proveniente de fuentes ERNC (Energías Renovables No Convencionales) a nivel mundial dado el actual escenario energético. Para maximizar la transferencia energética y asegurar una operación óptima desde un punto de vista técnico y económico se han propuesto distintas topologías de inversores junto con sus estrategias de control. Por otro lado, el control predictivo se perfila como una estrategia prometedora para controlar algunas topologías de inversores de potencia, en particular el control FS-MPC (Finite Set - Model Predictive Control) se ha implementado en un gran número de configuraciones debido a sus ventajas como: rápida respuesta transitoria; fácil inclusión de no linealidades y restricciones en el controlador; y ausencia de modulador. Sin embargo las tensiones sintetizadas por esta estrategia poseen una frecuencia de conmutación variable lo que complica el diseño de filtros de conexión a la red y aumenta la distorsión armónica en las señales inyectadas. En esta tesis se implementa de forma experimental un control predictivo modulado (M2PC, Modulated Model Predictive Control) en un inversor NPC (Neutral Point Clamped) trifásico de 3 niveles en configuración front-end, esta estrategia genera una tensión con frecuencia de conmutación fija y además mantiene las ventajas del control FS-MPC ya mencionadas. El controlador se programa en una plataforma dSPACE dS1103, para esto fue necesario diseñar y construir una tarjeta de desarrollo para una FPGA (Field-Programmable Gate Array) Spartan 3 y una tarjeta transmisora de fibra óptica, la función de la primera tarjeta es gestionar el envío de vectores al conversor NPC y habilitar un sistema de protección que apague el inversor en caso de falla, mientras que la segunda tarjeta se utiliza para enviar los pulsos de disparo a los IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) del inversor. En el desarrollo de esta tesis se proponen 2 estrategias de control M2PC, en la primera se utiliza una función multiobjetivo para regular la corriente inyectada a la red y el balance de los condensadores del DC-Link, mientras que en la segunda el control M2PC sólo se encarga del error de corriente y en una etapa posterior se regula las tensiones del DC-Link. Inicialmente la estrategia se simula mediante el software Plecs y posteriormente se implementa en el sistema experimental. Se concluye que ambas estrategias presentan un buen desempeño en régimen permanente y transitorio, en ambos casos el THD (Total Harmonic Distortion) es menor al 2% y los condensadores se encuentran balanceados.

Tesis para optar al grado de Doctor en Ingeniería Eléctrica / En este proyecto de tesis, se propone una estrategia de control predictivo (MPC, por sus siglas en inglés) basada en el concepto de secuencia de conmutación óptima (OSS) recientemente introducido para convertidores de punto neutro enclavado de tres niveles (3L-NPC) conectados a la red eléctrica. La metodología de control propuesta, llamada OSS-MPC en cascada (C-OSS-MPC), considera explícitamente el modulador en su formulación junto con el modelo del sistema. Como se verificó a lo largo de esta tesis, la estrategia C-OSS-MPC está formulada para el control de la corriente o el control directo de la potencia activa/reactiva como variables primarias de control, mientras que el problema del equilibrio de voltaje del enlace CC se resuelve sin utilizar factores de ponderación en un bucle de control interno basado en una novedosa y sencilla estrategia de control MPC. Por lo tanto, la metodología de control propuesta controla de manera óptima tanto el objetivo de control primario como los voltajes de los condensadores de este convertidor de potencia. Bajo esta perspectiva, la dificultad de diseñar el factor de ponderación se evita en este trabajo y el rendimiento del sistema controlado no se ve afectado por un punto de operación particular del convertidor conectado a la red. La estrategia MPC resultante permite operar el convertidor con un espectro armónico predefinido, frecuencia de conmutación fija y una respuesta dinámica rápida y robusta en todo el rango operativo del convertidor de potencia, superando las estrategias MPC existentes en la literatura para los convertidores de potencia. Además, se ha propuesto un nuevo y eficiente algoritmo de optimización para encontrar rápidamente la solución óptima con el fin de hacer posible una implementación en tiempo real de la estrategia de control propuesta. Finalmente, se proporcionan resultados experimentales y de simulación para demostrar la efectividad y el rendimiento de alta calidad de la estrategia de control propuesta, lo que hace que este enfoque de control no solo sea adecuado para las aplicaciones de convertidor de potencia conectado a la red, sino que también para accionamientos eléctricos de alta potencia.

Doctor en Ingeniería Eléctrica / El estudio de sistemas complejos de gran escala se ha hecho imprescindible en muchos campos de la ingeniería, y requieren modelos, así como técnicas de control avanzado, para lograr las metas y niveles de servicio exigidos actualmente por la industria. En este contexto, la principal contribución de esta tesis es la utilización de distintas técnicas de control avanzado para resolver el problema de alta complejidad, correspondiente al diseño de controladores para gestionar la operación de un sistema de transporte público. Esto es, se diseña una serie de controladores avanzados para la gestión de flota de sistemas de transporte público, incluyendo métodos de diversa complejidad, los que son aplicados sistemáticamente a modelos del sistema de creciente complejidad. En una primera etapa, se diseñaron dos controladores difusos para un sistema de una ruta de transporte público, con el objeto de reducir el tiempo total de espera de los pasajeros; el primero intenta mantener cada grupo de tres buses consecutivos equidistantes en un corredor, con el fin de regularizar el tiempo de espera entre buses de todo el sistema, mientras que el segundo considera la asignación de valores de tiempo de espera entre buses para cada paradero en función de su demanda, obteniendo ambos controladores beneficios superiores al 53% con respecto al tiempo de espera resultante de sistemas comparables en lazo abierto. En una segunda etapa, sobre este mismo sistema de transporte público, se diseñaron dos controladores predictivos híbridos (HPC); el primero considera índices de comportamiento dirigidos a la disminución del tiempo de espera y de viaje, mientras que el segundo controlador considera un análisis multiobjetivo que compara los costos del usuario versus los del operador. En ambos controladores se obtuvieron beneficios superiores al 57% con respecto al tiempo de espera resultante de sistemas comparables en lazo abierto. En una tercera etapa, sobre un sistema de transporte público compuesto por dos rutas y una estación de transbordo, se diseñaron controladores para sistemas de gran escala (centralizados, descentralizados y distribuidos) con algoritmos difusos y HPC. En tales casos se consideran índices de comportamiento de control de ruta, sincronización y maximización de la intensidad del transbordo. El controlador distribuido HPC obtuvo beneficios que son un 9.6% superior con respecto al tiempo de espera resultante de un sistema comparable al cual se aplica un controlador descentralizado HPC. Por último, para un sistema de transporte público compuesto por tres rutas locales, tres rutas troncales y tres estaciones de transbordo, se diseñó un control jerárquico (compuesto de controladores distribuido HPC y descentralizado difuso, lográndose un beneficio 9.75% superior con respecto al tiempo de espera de un sistema comparable en el cual se aplica un controlador descentralizado difuso.

Los trabajos en el área de control de finales del siglo de XIX y principios del siglo XX, describían el modelado, análisis y diseño de sistemas lineales empleando herramientas matemáticas bien definidas como el álgebra lineal y el cálculo diferencial. Sin embargo, a mediados de los años 40 comienzan a surgir trabajos que introducen el concepto de sistemas no lineales. A partir de este momento, el interés por el desarrollo de herramientas teóricas para el análisis y diseño de controladores no lineales fue en aumento. En la actualidad, existen diversas metodologías que son empleadas en el análisis y diseño de sistemas de control no lineales. Sin embargo, no existe una teoría generalizada análoga al álgebra lineal y el cálculo diferencial de los sistemas lineales. Por ello, las líneas de investigación que abordan el estudio de procesos no lineales se encuentran en continua evolución. En primer lugar, la tesis presentada aborda el estudio del estado del arte de algunas de las técnicas más destacadas para el modelado e identificación de sistemas no lineales. El documento de tesis hace especial hincapié en las técnicas que emplean modelos borrosos con estructura Takagi-Sugeno (TS). Una vez introducidos los modelos borrosos TS, se presenta el estado del arte en el diseño de contralores borrosos denominadas Compensadores Paralelos Distribuidos (PDC) y su aplicación al control predictivo. Asimismo, se describen los fundamentos matemáticos necesarios para la reformulación del problema de diseño de PDC en términos de Desigualdades Matriciales Lineales (LMIs). La revisión del estado del arte que se realiza en el documento de tesis, pone de manifiesto la dificultad existente cuando se aborda el diseño de controladores borrosos predictivos. El principal inconveniente es la resolución del problema de optimización que se plantea al aplicar la filosofía de control predictivo. / García-Nieto Rodríguez, S. (2010). Identificación y control predictivo Fuzzy T-S en espacio de estados. Una aproximación al control no lineal [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8328 / Palancia

La industria extractiva de minerales, en el Perú, es un actor muy importante de desarrollo económico y tecnológico. Destacando el cobre como principal mineral. Es importante, como país minero, desarrollar investigaciones y tecnologías que ayuden a mejorar el proceso de extracción y concentración de minerales. En la industria minera actual, donde se ha conseguido un gran avance en la automatización, aún existen grandes retos y oportunidades de mejorar los procesos en búsqueda de una mejor eficiencia. Una de las etapas más importantes y críticas es la concentración de minerales mediante el uso de celdas de flotación. El control efectivo de este proceso permite obtener niveles adecuados e importantes de grado y recuperación en el concentrado de mineral. En el caso de las celdas de flotación tipo columna, el comportamiento es multivariable y muy dinámico por ser dependiente de los cambios de las características del mineral que se procesa y de las perturbaciones de la planta. Es ampliamente conocido que el control predictivo basado en modelos constituye una poderosa herramienta de control de plantas multivariable que presentan un comportamiento dinámico complejo como en el caso de la celda de flotación tipo columna. Es por esto, que el objetivo en la tesis es diseñar un controlador predictivo generalizado (GPC) multivariable para el control efectivo de una celda de flotación tipo columna utilizada en el proceso de recuperación de cobre. El modelo matemático obtenido tiene un grado de aceptación FIT superior a 80%. Se realizaron evaluaciones comparativas del sistema de control de la celda de flotación tipo columna, con los controladores GPC multivariable y PI diseñados considerando diferentes escenarios de operación e índices de desempeño. Se determinó que, el mejor desempeño del sistema de control se obtiene cuando se aplica el controlador GPC multivariable diseñado. / Tesis

Ingeniero Civil Eléctrico / En los últimos años, la integración de fuentes de generación distribuida dentro los sistemas eléctricos ha emergido como un tema crítico impulsado principalmente por motivaciones ambientales e incentivos económicos. En este contexto, la utilización de convertidores fuente de voltaje (VSC, Voltage Source Converters) como interfaz generador-red ha cobrado cada vez más importancia, pues permiten operar y controlar los sistemas de generación, desempeñando un rol esencial en redes desbalanceadas. En el contexto de una red desbalanceada, aparecerán oscilaciones de potencia de doble frecuencia en la red, siendo reflejadas como ripple en el DC-link de un VSC. En la red, las oscilaciones de potencia activa pueden causar excesivo ruido y estrés mecánico en generadores sincrónicos, mientras que la potencia reactiva oscilante puede causar pérdidas excesivas sobre el sistema eléctrico. Análogamente las oscilaciones de potencia en el DC-link pueden afectar negativamente al desempeño de sistemas energizados por paneles solares, baterías y celdas de combustibles, reduciendo su eficiencia, vida útil y la confiabilidad en el largo plazo. Además, a causa de estas oscilaciones podría haber un eventual disparo de las protecciones por sobre tensión en el caso del DC-link, o por sobre corrientes en el convertidor lado red. En virtud de lo anterior, se han desarrollado distintas estrategias para controlar los VSC usando principalmente corrientes de secuencia positiva y negativa. Mediante estas corrientes los objetivos de control que se buscan conseguir son: compensación de oscilaciones de potencia activa en la red, potencia reactiva constante, corrientes balanceadas, DC-link sin ripple, entre otros. Dado que los grados de libertad que otorgan estas corrientes no son suficientes para alcanzar todos los objetivos de control que se quisieran, se podrían presentar significativas oscilaciones de potencia activa y/o reactiva de doble frecuencia de red o corrientes desbalanceadas de elevada magnitud. De manera alternativa se han propuesto nuevas estrategias de control usando corriente de secuencia cero y de este modo aumentar los grados de libertad, sin embargo la principal desventaja de estas estrategias es que pueden llegar a necesitar elevadas corrientes de secuencia cero, lo cual no siempre es posible de obtener según los límites nominales del sistema En este trabajo se propone una extensión de la estrategia de control que utiliza secuencia cero, permitiendo trabajar con corrientes de secuencia positiva, negativa y cero dentro de un esquema colaborativo. La estrategia propuesta tiene la capacidad de compensar las oscilaciones de potencia en el DC-link manteniendo las corrientes de fase y del neutro dentro del límite nominal, y mitigar las oscilaciones de potencia activa y reactiva de la red. Para lograr esto, la estrategia es diseñada utilizando MATLAB y simulada en el software PLECS con el fin de estudiar su comportamiento, y luego validada experimentalmente usando la plataforma de control dSPACE DS1103.

El presente trabajo tiene como objetivos el ajuste de un simulador programado en MatLab Simulink para emular el comportamiento de la turbina a gas de la central térmica Nueva Renca, además del análisis y diseño de estrategias de control supervisor basadas en modelos difusos, y de un emulador neuronal del controlador predictivo difuso. La importancia actual de este estudio radica en la necesidad de hacer más eficientes los procesos de generación de electricidad, especialmente los que utilizan gas natural en la producción, dadas las perspectivas de crecimiento del precio del combustible y de las restricciones impuestas al suministro desde Argentina. El diseño de las estrategias de control supervisor requirió la modelación difusa de la turbina y la modelación neuronal de control supervisor predictivo difuso. Como modelo difuso se escogió un modelo de Takagi – Sugeno y como modelo neuronal una red perceptrón multicapa con una capa oculta. Las funciones de activación son tangente hiperbólica para las neuronas de la capa oculta y lineal para la capa de salida. Los resultados de este estudio reflejan que según criterios económicos, operativos y de esfuerzo computacional, el control por emulación es mejor que el control predictivo difuso, sin embargo, se debe realizar un trabajo previo mayor, al tener que recolectar datos para el entrenamiento de la red neuronal. Con la implementación del controlador neuronal se logró un incremento 3,027% en las utilidades con respecto a la estrategia de control regulatoria, lo que se traduce en un incremento de 1,8 millones de dólares anuales.

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