Ingeniero Civil Electricista / Efectos en la Masificación de Unidades de Generación Distribuida en los Sistemas de Protección de Sobrecorriente de las Redes de Distribución El rápido crecimiento de la demanda de energía eléctrica ha llevado a considerar dentro de las formas de concepción de energía la inserción de unidades de generación en redes de empresas distribuidoras, conocida como Generación Distribuida (GD). Sin embargo, la interconexión de GD presenta desafíos técnicos y regulatorios, en particular en los actuales esquemas de protecciones eléctricas. El objetivo general del presente trabajo de título es determinar empíricamente el impacto en las protecciones de sobrecorriente asociados a la conexión de unidades de GD sobre un sistema de distribución, identificando los problemas que se pueden provocar en la coordinación de protecciones con la masificación de la interconexión de unidades de GD. Con esto, se espera contribuir al proceso de integración de GD, indicando aspectos críticos a considerar en los futuros estudios de coordinación de protecciones. La evaluación del impacto se realizó por medio del software DigSilent Power Factory, mediante simulaciones sobre un sistema de prueba, que busca presentar en forma simplificada la interacción de las corrientes de fallas aportada por la red de transmisión y por las unidades de GD con la operación de los dispositivos de protección de sobrecorriente: relé, reconectador y fusibles. La metodología de trabajo consiste en la interconexión de unidades de GD de diferentes capacidades y en diferentes localidades, identificando los aportes de corriente por parte de los GD y el sistema de transmisión a la falla, para determinar el efecto sobre la coordinación de protecciones, analizándose comparativamente las respuestas. Como resultado del estudio, se determinó que los esquemas de coordinación implementados no son efectivos con la interconexión masiva de unidades de GD. Se determinaron los puntos de instalación de mayor conflicto con las protecciones y una metodología para evaluar el nivel de penetración de GD aceptado por la red, correspondiendo a un 25% de la red estudiada. Para los efectos derivados de la conexión de GD, que se observan en la red de distribución, flujos bidireccionales y aumento del nivel de cortocircuito, permiten concluir que el problema de coordinación debe ser replanteado, considerando una adecuada coordinación de las protecciones establecidas con la GD, que permita no tener una pérdida completa del sistema de distribución ante un escenario de falla.

Ingeniero Civil Industrial / Chile está viviendo una crisis energética que provoca los precios más altos de la historia, adicional a esto se ha aprobado la ley de Net-Metering que permite a clientes residenciales inyectar excedente de generación por fuentes de energías renovables. Lo anterior, sumado a una red de transmisión y distribución de energía cada vez más congestionada hace que se vea atractiva la implementación de generación distribuida, y en específico microredes eléctricas. Las microredes eléctricas son arreglos de red con puntos de generación de energía distribuida que puede funcionar en paralelo a la red de distribución o independiente en forma de isla. A partir de esto se pretende en este documento obtener una visión integral de las microredes en el mundo y su aplicación en Chile, encontrar modelos de negocios y entender los factores clave para implementar microredes eléctricas en ámbitos económicos y técnicos para tres sectores: residencial, industrial y comunidades aisladas de la red eléctrica. Para el desarrollo del trabajo se investigó fuentes secundarias de distintas fuentes con tal de entender las aproximaciones en temáticas de microredes a nivel internacional y poder aplicarlo a la realidad de Chile. Se realizó un proceso iterativo entre obtención de información a base de documentos e información en línea, y entrevistas y conocimiento de actores relevantes en Chile. Esto con tal de obtener un modelo de negocio para abordar los distintos sectores analizados y entender los factores que influyen la implementación de microredes. A partir de lo estudiado se tiene un análisis de casos internacionales en microredes donde se tiene un mercado de gran potencial de US$ 10 mil millones al 2013 y expectativas de US$ 40 mil millones al 2020. Se han desarrollado grandes avances en EE.UU. con desarrollo tecnológico de gran importancia además grandes aprendizajes de caso en Europa y Japon. Se obtuvo posibles modelos de negocio para entrar a los diferentes sectores, residencial, industria y comunidades aisladas con sus respectivos análisis de factores importantes como es el caso de aspectos geográficos, recursos naturales disponibles, estado del sistema eléctrico y demanda energética en la parte técnica, y factores como costos y formas de ingreso y beneficio como factores económicos. Las microredes pueden proporcionar una vía para el aumento de la cantidad de la generación distribuida y la entrega de electricidad, donde la calidad del servicio está adaptada localmente sus requerimientos. En las tecnologías en microredes se ve un alto atractivo a futuro en el país para todo tipo de sectores. No es una solución país a la crisis energética, pero puede aliviar en parte a largo plazo los problemas en esta área.

Ingeniero Civil Electricista / Los huecos de tensión corresponden a desviaciones en la tensión con respecto a sus valores nominales o esperados que afectan a los sistemas de potencia, incluyendo redes de distribución. Estos fenómenos provocan que los generadores se desconecten del sistema para proteger sus equipos. Así, los requerimientos frente a huecos de tensión obligan a éstos a permanecer conectados durante ciertos períodos de tiempo, proporcionando una operación más segura del sistema. Lo anterior se aplica generalmente a grandes generadores. Sin embargo, en Chile también se incluyen los Pequeños Medios de Generación Distribuida, conocidos como PMGD. Ahora bien, la generación distribuida en baja tensión, o doméstica, no posee reglamentación con respecto a los huecos de tensión, por lo que tomando esto en cuenta además del gran crecimiento que han experimentado estas tecnologías (especialmente la fotovoltaica) en los últimos tiempos, es pertinente estudiar el comportamiento de los requerimientos frente a huecos de tensión en redes de distribución que incluyan generadores descentralizados. Para realizar el estudio se escogió un alimentador promedio, tipo rural, utilizando para esto el alimentador Gabriela Mistral de Conafe. En este sistema se incluyó generación distribuida en media y baja tensión, PMGD y doméstica, respectivamente, debido a los requerimientos existentes para la primera, conectándose en los mismos puntos que los consumos. Se definieron ocho escenarios de penetración de la generación distribuida, incluyendo distintos porcentajes de PMGD. Además se escogieron tres distribuciones de ésta a lo largo del alimentador. Para generar un hueco de tensión que representara el peor caso, se utilizó un cortocircuito trifásico en la primera barra del sistema, y se estudiaron dos tiempos de despeje distintos. También se encontraron los tiempos críticos de despeje del sistema. Entre las conclusiones principales destaca el hecho de que los escenarios de penetración y las distribuciones de la generación distribuida afectaron las tensiones previas y posteriores a las perturbaciones estudiadas, siendo las diferencias entre éstas mayores al momento en que la penetración es mayor y en la distribución Creciente. Los requerimientos frente a huecos de tensión para los PMGD obligaron a la generación distribuida a permanecer conectada luego del cortocircuito con despeje a los 150 ms, aportando a la respuesta del sistema; esto se verificó ya que los tiempos críticos de despeje fueron mayores cuando la generación distribuida doméstica se regía por éstos requerimientos. Finalmente, en el caso de un cortocircuito con un despeje a los 300 ms, se produjo una desconexión masiva de la generación distribuida del sistema.

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La generación de electricidad se ha visto afectada debido a problemas con el abastecimiento de energéticos primarios y el alza de precios, estimulándose de esta forma el desarrollo de nuevas tecnologías con el fin de abastecer la creciente demanda. Además, los altos índices de contaminación mundial y el aumento de la preocupación de parte de la población respecto a este tema han producido que la mayoría de los nuevos desarrollos apunten a disminuir la contaminación. Consecuentemente, las tecnologías de generación eléctrica relacionadas con energías renovables se asoman cada vez con mayor fuerza como medio de obtención de electricidad. Dentro de las energías renovables se encuentra la hidráulica, donde Chile presenta un elevado potencial disponible gracias a su geografía y clima. Por otro lado, la Generación Distribuida (GD) ha visto en alza convirtiéndose en una opción para facilitar el aumento de generación con tecnologías renovables, permitiendo la interconexión de pequeños medios de generación conectados a los sistemas de distribución. En este contexto en el Departamento de Ingeniería Eléctrica (DIE) de la Universidad de Chile se ha estado desarrollando un prototipo para laboratorio de una Central Micro-Hidráulica (CMH) utilizando una turbina de tipo Pelton. El objetivo de esta memoria de título apunta al perfeccionamiento del prototipo de CMH, integrando los controles necesarios para la correcta simulación del recurso hidráulico además de la implementación de un sistema de control local, monitoreo y control remoto que permita la operación del prototipo como un generador distribuido modificando sus modos de operación entre conectado o aislado de la red eléctrica. Durante el desarrollo de este trabajo se realiza una revisión del estado del arte sobre GD y la forma en que se relaciona con las centrales CMH, ahondando en los componentes de esta última y los tipos de control utilizados. Luego se exponen las leyes que rigen el comportamiento de una caída natural de agua y la forma en que ésta puede ser simulada con una bomba centrífuga. A partir de esto se integran los controles correspondientes al prototipo de CMH construido, incluyendo los sistemas de medición y accionamiento para modificar las variables eléctricas dentro de los rangos establecidos de forma manual o automática. Igualmente, se desarrolla un sistema de monitoreo y control remoto mediante una interfaz gráfica desarrollada en la plataforma comercial LabVIEW, que permite la conexión entre un operador local y la CMH de manera que el operador puede verificar su funcionamiento y decidir sobre su operación. Se obtiene como resultado un prototipo de CMH para laboratorio que permite simular el comportamiento de una central real, con sus respectivos controladores y un sistema de monitoreo y control remoto validado, alimentando cargas locales e inyectando cerca de 2 kW a la red. La reproducción del recurso hidráulico utilizando una bomba centrífuga muestra resultados satisfactorios, comprobándose que la altura equivalente simulada permanece constante gracias a la realimentación de la presión. El caudal del recurso hidráulico puede variar entre 0 a 300 l/min con un rango de alturas disponibles entre 30 a 55 metros. El funcionamiento del control implementado en la CMH presenta resultados satisfactorios en cuanto a su funcionamiento, permitiendo la operación de la CMH en forma aislada o conectada a la red, siendo validado experimentalmente. Sin embargo, al operar aislada de la red, la variación de la tensión y frecuencia, para modificaciones de carga mayores al 40% de la potencia máxima entregada por la CMH, sobrepasan el 10%, por lo que la calidad del suministro no se encuentra dentro de los rangos permitidos por la Norma Chilena. Se concluye que el perfeccionamiento del prototipo ha sido satisfactorio, convirtiéndose en una herramienta docente efectiva para comprender el funcionamiento de esta tecnología en un laboratorio, además de la escalabilidad del sistema de control y monitoreo implementado. Se propone como trabajo futuro mejorar el funcionamiento del controlador, realizando cambios en su topología y agregando mediciones de variables importantes para el funcionamiento del sistema.

La motivación principal de este trabajo es el gran aporte y eficacia de la cogeneración como medida de Eficiencia Energética en la industria, permitiendo ahorros considerables en términos económicos, y ventajas sociales y ambientales notables al permitir un mejor aprovechamiento del combustible primario. Con este fin se desarrolla una propuesta de operación para una red de distribución que involucre el concepto de Redes Activas, que deriva de las Redes Inteligentes y que plantea una red con una operación flexible y dinámica, capaz de adaptarse a las distintas condiciones de operación, mediante un proceso de optimización permanente de las variables de control dispersas en la red. La propuesta planteada considera una relajación de algunas de las restricciones impuestas por la concepción tradicional (pasiva) de las redes de distribución, permitiendo una operación coordinada y dinámica entre las unidades de GD presentes en la red. Esta operación coordinada se basa en un Flujo de Potencia Óptimo (OPF) que determina los valores óptimos para las variables de control (tap de los transformadores con cambiador bajo carga y consignas de potencia activa y reactiva de los GD) de acuerdo a las condiciones de demanda y la disponibilidad de generación. El algoritmo OPF es desarrollado en código MATLAB a partir del paquete de cálculo MATPOWER, al cual se le adicionó la posibilidad de manejar, como variable de optimización discreta, el tap de uno o más transformadores con cambiador bajo carga, implementándose esto mediante un proceso iterativo previo, basado en optimización por enjambre de partículas, que entrega la posición óptima de los tap de los transformadores y una primera aproximación de las consignas de potencia de los GD. Con los tap óptimos ya fijados, el modelo utiliza un OPF tradicional que determina finalmente las consignas óptimas de potencia activa y reactiva de los GD. Tanto la propuesta conceptual como la herramienta de cálculo desarrolladas fueron implementadas y probadas mediante dos casos de estudio: uno en que se realizó un manejo óptimo de la potencia reactiva en los GD, y otro en que se consideró además la posibilidad de efectuar recortes de generación para mantener las variables de la red bajo norma. Para ambos casos estudiados se realizó una estimación de los beneficios económicos derivados de la operación activa de la red, resultado que puede ser contrastado con los costos de la implementación de este esquema de operación inteligente, o bien con la ejecución de obras de ampliación necesarias para evitar la totalidad —o una parte— de los recortes de generación, en caso de que estos sean requeridos. A partir de estos resultados se realizó, además, una sensibilización respecto al precio de la energía, encontrándose que para costos bajos de la energía el esquema propuesto permite evitar una expansión innecesaria de la red, optando por realizar recortes de generación, mientras que para costos altos convendría realizar la expansión de la red pero realizar un buen manejo de reactivos, de modo de minimizar las pérdidas en la red.

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Ingeniero Civil Eléctrico / En el último tiempo el aumento de la demanda no ha ido de la mano con el crecimiento de la oferta, entre lo que sobresalen las barreras a la construcción de proyectos de gran envergadura. Sin embargo, Chile posee un enorme potencial energético, en especial, la energía hidráulica, la cual puede ser una alternativa para desarrollar proyectos de baja escala y responder al desafío de generación. El objetivo de esta memoria es desarrollar un sistema de monitoreo de variables eléctricas, que permita identificar condiciones anormales del funcionamiento de generadores sincrónicos, además disponer de una plataforma en tiempo real que pueda obtener los datos necesarios, para luego ser procesados e identificar posibles fallos. Para esto fue desarrollado un sistema en LABVIEW, el cual toma los datos, los procesa y los almacena, para posteriormente ser leídos en MATLAB y ser graficados y analizados. Este proceso se realizó con la micro central hidráulica ubicada en el taller mecánico de la Universidad de Chile, donde se tomaron distintas mediciones, que al ser analizadas mostraron diferentes condiciones del generador. Una de estas es la posible excentricidad estática del generador, debido a la alta presencia de armónicos que siguen el patrón f_E=[1±((2k-1)/P)] f_s. Otra de las condiciones encontradas, es la alta posibilidad de tener cortocircuitos en las fases A y B, debido a la presencia significativa de las 3ª, 9ª y 15ª armónicas en dichas fases. Además se presenta el diseño de un banco de pruebas, el cual está previsto para disponer de estados de comparación entre un generador en estado sano y en diferentes condiciones de falla. El sistema de adquisición de datos desarrollado presenta un buen desempeño almacenando datos en línea de la corriente de un generador. Con el cual se pueden realizar análisis del espectro de frecuencia, con el fin de encontrar patrones que permitan diferenciar las distintas fallas, puedan ser estas de índole mecánica o eléctrica. Asimismo, se desarrolla un manual para el posterior uso de la herramienta. Como trabajo futuro se propone integrar un sistema de detección de fallas, el cual pueda identificar en línea las diferentes condiciones que pongan en riesgo la operación de un generador.

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El objetivo general de este trabajo es sistematizar, a partir de la información pública disponible, los grados de avance de proyectos de generación y transmisión en un sistema eléctrico, de manera de poder establecer un juicio sobre la fecha de puesta en servicio de dichas obras. Esto con el fin de que exista una herramienta que permita clasificar a los proyectos en base a modelos matemáticos. Dada la naturaleza de la información disponible se utiliza la metodología de KKD para obtener conocimiento a través de la información disponible, lo que permite estimar la probabilidad de que una determinada variable nominal pertenezca a cada una de las categorías que puede tomar la variable en cuestión. Para determinar esta probabilidad primero se seleccionan los atributos que permitan explicar la variable en estudio, para luego determinar los coeficientes que acompañan a cada una de las categorías de los atributos seleccionados. Para la construcción de los modelos se utiliza la información pública disponible, por lo que en caso de disponer de mayor información, los resultados del modelo pueden cambiar y mejorar. De los resultados obtenidos se concluye que el acierto de los modelos obtenidos aplicados a los datos históricos supera el 70% en ambos caso. Además de entregar una predicción de la clase en estudio, se debe entregar la probabilidad que tiene la variable en estudio de pertenecer a cada categoría, ya que en los casos en que el modelo no entregó una predicción correcta fue debido a que la probabilidad que tenía esa categoría no era muy alta o era muy parecida a otra. Pese a que modelos de redes neuronales o árboles de decisión no entregan probabilidad, se utilizaron para comparar los resultados obtenidos, entregando estos dos último modelos mejores resultados en el caso que se estudia la materialización de los proyectos (cerca de un 10% de más aciertos). Finalmente se desarrolla un conjunto de herramientas gráficas que permiten visualizar los resultados obtenidos, además de observar los estadísticos más comunes.