Proyecto interuniversitario utilizará hardware para simulaciones en tiempo real del sistema eléctrico

Mediante un proyecto Fondequip Mayor a 5 años, 4 universidades chilenas implementarán un banco de pruebas configurable en base a simuladores en tiempo real que permiten la interacción con hardware (equipos reales). En la iniciativa participa un investigador del Centro de Transición Energética (CENTRA) de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Universidad Adolfo Ibáñez, profesor Luis Gutiérrez.

Gracias a la adjudicación de un proyecto interuniversitario en el Programa de Equipamiento Científico y Tecnológico (Fondequip) para equipamiento mayor de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID); la Universidad de Santiago, Universidad Adolfo Ibáñez -a través del Centro de Transición Energética CENTRA UAI-, Universidad Austral y Universidad de Chile, implementarán un banco de pruebas configurable para la modelación dinámica de sistemas de potencia bajos en emisiones de carbono con alta penetración de recursos energéticos conectados a través de electrónica de potencia, donde habrá equipamiento instalado en cada universidad pero conectados a través de internet.

El fondo adjudicado recibirá aportes de ANID cercanos a los 860 millones de pesos, a lo que se suma el aporte de las universidades participantes, cercano a los 100 millones de pesos en total y otros 285 millones equivalentes en infraestructura disponibilizada para el proyecto. Lo anterior permitirá financiar la compra de equipos de alto valor comercial (simuladores en tiempo real y amplificadores de potencia, entre otros), junto con gastos de traslado e instalación además de su operación por 5 años.

Según Luis Gutiérrez, investigador del proyecto en UAI e investigador del Centro para la Transición Energética (CENTRA) de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Universidad Adolfo Ibáñez, es significativa la oportunidad de "potenciar el desarrollo de un equipo interinstitucional de investigación que permita acrecentar el impacto de la investigación desde Chile hacia el mundo y explorar la colaboración con centros de excelencia mundial que tienen equipos similares mediante conexión remota. En este sentido contamos por ejemplo con recomendaciones y cartas de interés para colaborar de instituciones de prestigio de Reino Unido, Australia y Estados Unidos, así como también cartas de apoyo e interés de la industria local. Lo anterior no solo respalda el alto potencial del proyecto en cuanto a contribuciones académicas sino que también la relevancia que implica para el sector eléctrico nacional el poder dar una mirada al sistema eléctrico del mañana y testear distintas soluciones a los grandes desafíos que se esperan, antes de que ocurran a través del banco de pruebas”.

El académico destaca el interés por implementar además data analytics asociada a la conciencia situacional de la operación en tiempo real y así preparar a futuros despachadores del sistema, con mayor penetración y más volátil en términos dinámicos.

Este tipo de mega proyectos Fondequip debe contar con al menos 3 instituciones y el plazo de investigación de 5 años responde a la necesidad de contemplar un tiempo de adquisición, instalación y operación del equipo. A futuro, éstos deberán disponibilizarse para investigadores externos al menos 30 días hábiles al año mientras dure el proyecto y al menos un 50% de este tiempo está destinado a usuarios de una región distinta a la beneficiaria, en este caso la Metropolitana. Cabe destacar la calidad de la propuesta ya que este proyecto fue uno de los 3 seleccionados en un total de 23 propuestas admisibles.

El profesor Luis Gutiérrez sostiene la importancia de explorar los desafíos que supone la operación de los sistemas eléctricos de potencia con alta penetración de energías renovables no convencionales, los cuales normalmente se conectan a equipos electrónicos de potencia. Añade: "Las redes de distribución se diseñaron hace varias décadas, cuando la generación distribuida fotovoltaica y los vehículos eléctricos no estaban en el mapa. Bastó un diseño del tipo “fit and forget” (conecta y olvídate) con mínima o nula observabilidad y que utilizaba el peor caso de demanda (máxima) para dimensionar los conductores y elegir los taps de los transformadores secundarios con tal de entregar un voltaje a los clientes finales dentro de la banda de operación requerida. No obstante, al masificarse la adopción de nuevas tecnologías como generación distribuida fotovoltaica, vehículos eléctricos o la electrificación de la climatización, se puede superar los límites de diseño de las redes, resultando en congestiones, problemas de voltaje y potencialmente fallas, lo que pone en riesgo la continuidad de suministro si no se adoptan estrategias de control más inteligentes”.

Por ende, explica el profesor Gutiérrez, existe la necesidad de monitorear y controlar los sistemas de distribución, pero también se debe hacer a nivel de transmisión. Tanto la energía solar como la eólica, experimentan variaciones dado lo cambiante del recurso primario, lo que incide en oscilaciones de potencia. Este nuevo escenario implica una regulación permanente, ya que antes la demanda era predecible, pero con la masificación de la generación distribuida y otras tecnologías de alto consumo como vehículos eléctricos, la demanda agregada se vuelve mucho más volátil y por lo tanto, mantener los sistemas dentro de sus parámetros operacionales se torna mucho más complejo.

Otro desafío muy relevante se refiere a las rampas de demanda en sistemas eléctricos con alta penetración de generación fotovoltaica. "La demanda neta vista por los generadores convencionales será mucho menor en horario solar, pero en un par de horas, la misma demanda crecerá rápidamente al ponerse el sol. Este fenómeno de disminución de demanda neta en horario solar e incremento rápido en horario punta se conoce como curva pato, y puede empeorar con la adopción masiva de vehículos eléctricos, que tenderían a conectarse en hora punta, cuando sus usuarios llegan a casa. Lo anterior necesita soluciones que puedan modelarse y testearse en un entorno lo más realista posible antes de ponerlas en práctica, como el uso de almacenamiento y los mismos vehículos eléctricos con carga controlada para achatar la curva de demanda. Podrán también probarse distintos servicios complementarios para controlar frecuencia a nivel sistema o regular voltaje y congestiones a nivel de distribución. Es básicamente lo que queremos hacer con los nuevos equipos”, sostiene Gutiérrez.

En cuanto a la influencia de la electrónica de potencia en la estabilidad de los sistemas eléctricos, el laboratorio permitirá testear el comportamiento de hardware real de electrónica de potencia conectado al simulador en tiempo real del sistema eléctrico a través de amplificadores de potencia. Por ejemplo, se analizará infraestructura como plantas solares y eólicas, HVDC, BESS, FACTS, entre otras; demostrando sus impactos y oportunidades en sus interacciones con la red eléctrica.

En concreto, el proyecto consiste en un simulador en tiempo real distribuido en 4 lugares geográficos (asociados a las comunas donde se ubican las universidades investigadoras), que se coordinará a través de internet. La razón para considerar lugares geográficos distantes es la de modelar de forma realista la comunicación remota de elementos distantes por medio de canales de comunicación convencionales. Esta interacción busca, por ejemplo, testear la factibilidad de que recursos energéticos distribuidos puedan responder de forma coordinada a comandos de control dados desde el operador del sistema eléctrico para diversos fines, en particular para regulación primaria de frecuencia, donde la actuación de los controles debe ser rápida. Para el proyecto, el sistema de transmisión/generación de gran escala se simula en una universidad mientras en otras se pueden simular microrredes y testear hardware específico. En la UAI se simulará una red de distribución MT-BT desbalanceada de gran tamaño (miles de nodos trifásicos). Con esta configuración “multi-sitio”, el proyecto es único en su tipo en Chile y permitirá integrar problemas que se tratan por separado disciplinariamente, uniéndolos a partir del equipamiento para obtener resultados globales y de mayor impacto.