Thesis:

Localización óptima de baterías en sistemas con alta penetración de energías renovables considerando criterios de robustez

Durante los últimos años, los sistemas eléctricos de potencia (SEP) alrededor del mundo han experimentado un crecimiento constante de las energías renovables no convencionales (ERNC). Los números son claros, entre los años 2010 y 2021, la capacidad instalada de las ERNC a nivel global aumentó en un 150%, pasando de 1.2 TW el año 2010 a 3.0 TW al año 2021. De hecho, solo en el año 2021 la capacidad instalada aumentó un 9.1% respecto al año anterior. De particular importancia ha sido el crecimiento de las tecnologías de generación variable con convertidor (TGVCC) como la solar fotovoltaica y eólica de velocidad variable, cuya capacidad instalada respecto al año anterior aumentó en un 19% y 13% respectivamente. En Chile, el aumento de las TGVCC ha sido similar al resto del mundo. El país cuenta actualmente con 5,1 GW de capacidad instalada en centrales fotovoltaicas y 3,7 GW en generación eólica, que en conjunto representan un 30,0% de la capacidad instalada total de generación en el país. Las soluciones para mitigar los problemas de estabilidad en redes débiles con altos niveles de TGVCC cubren un amplio espectro de alternativas que van desde refuerzos de red clásicos hasta cambios en el sistema de control de los convertidores. Adicionalmente, la robustez en áreas débiles de una red se puede mejorar localmente mediante la incorporación de equipos basados en convertidores como SVC, STATCOM, BESS, etc. En este contexto, entre los dispositivos que más se han investigado en el último tiempo se encuentran los sistemas de almacenamiento de energía, en particular, las baterías (BESS). Diversos estudios y experiencias practicas han mostrado que los BESS son una buena alternativa para mejorar la estabilidad de los SEP debido a sus tiempos rápidos de respuesta y capacidad de inyectar potencia activa y reactiva de forma independiente. Entre las aplicaciones más estudiadas se encuentran la incorporación de lazos de control para que los BESS puedan aportar a la estabilidad de frecuencia y tensión en los SEP. En estos trabajos se destaca la incorporación de inercia virtual control de reactivos, respuesta rápida de frecuencia, regulación de frecuencia y regulación de tensión. Si bien las diversas maneras en que los BESS pueden aportar a la estabilidad de los SEP han sido ampliamente investigadas durante los últimos años, la localización óptima de estos equipos en escenarios con altos niveles de TGVCC aún no ha sido muy investigada. Tradicionalmente, los trabajos en esta línea se centran en localizar los BESS considerando criterios económicos buscando, por ejemplo, minimizar los costos de un sistema en el marco de la operación o de la planificación. Si bien este tipo de trabajos aprovechan las ventajas económicas que los BESS pueden entregar, no consideran sus posibles aportes a la estabilidad de los SEP. En el contexto anterior, en este trabajo se propone una metodología para determinar la localización óptima de BESS en sistemas eléctricos débiles con bajos SCL, considerando criterios de estabilidad.

In recent years, power systems around the world have experienced a steady growth in non-conventional renewable energy sources (NCRES). Between 2010 and 2021, global NCRES installed capacity increased by 150%, from 1.2 TW in 2010 to 3.0 TW in 2021. In 2021 alone, installed capacity grew by 9.1% compared to the previous year. Particularly significant has been the growth of converter-based variable generation technologies (CB-VGTs), such as photovoltaic solar and variable-speed wind power, with year-over-year capacity increases of 19% and 13%, respectively. In Chile, the expansion of CB-VGTs has followed global trends, with 5.1 GW in photovoltaic plants and 3.7 GW in wind generation, together accounting for 30.0% of the country's total installed generation capacity. Solutions to mitigate stability issues in weak grids with high CB-VGT penetration range from traditional grid reinforcements to changes in converter control systems. Additionally, local grid robustness can be enhanced through converter-based devices like SVCs, STATCOMs, and BESS. Recently, energy storage systems, especially batteries (BESS), have been extensively researched. Studies and practical experiences have shown that BESS can improve power system stability due to their fast response times and their ability to independently inject active and reactive power. Key BESS applications include the integration of control loops to support frequency and voltage stability, such as virtual inertia, reactive control, fast frequency response, frequency regulation, and voltage regulation. Although BESS contributions to stability have been widely studied, their optimal placement in weak grid scenarios with high CB-VGT penetration remains underexplored. Existing studies often focus on economic placement criteria, such as minimizing system operation or planning costs, while ignoring stability benefits. In this context, this work proposes a methodology to determine the optimal location of BESS in weak electrical systems with low short-circuit levels (SCL), considering stability criteria.