Claudio Burgos ● Profesor Asociado

Plataforma experimental de control distribuido de módulos de potencia Consiste en diversos módulos de baja potencia que pueden configurarse e interconectarse para implementar variadas topologías emergentes de sistemas eléctricos y topologías de conversión como: microrredes, enlaces de alto voltaje en corriente continua (HVDC), convertidores modulares multinivel (MMC), sistemas de baterías (BESS), cargadores rápidos, entre otros. Cada módulo de potencia posee una unidad de control propia coordinada por una unidad central, lo que permite implementar esquemas de control distribuido. Además, la plataforma contempla una etapa de amplificación de potencia trifásica, que permite generar físicamente los voltajes y corrientes de un punto común de acoplamiento con una red eléctrica emulada en tiempo-real. Esto permite estudiar la interacción de la red emulada con los sistemas eléctricos y las topologías de conversión emergentes descritas anteriormente. Por consiguiente, esta plataforma agiliza el prototipado, tanto en hardware de potencia como de control, permitiendo la validación experimental de estrategias de control distribuido que, a diferencia del control centralizado (tradicionalmente utilizado en la academia e industria), presenta ventajas que son de utilidad para mejorar la resiliencia de los sistemas eléctricos, como son: mejor confiabilidad, flexibilidad, escalabilidad, operación plug-and-play y tolerancia a fallas de un solo punto.

Consiste en diversos módulos de baja potencia que pueden configurarse e interconectarse para implementar variadas topologías emergentes de sistemas eléctricos y topologías de conversión como: microrredes, enlaces de alto voltaje en corriente continua (HVDC), convertidores modulares multinivel (MMC), sistemas de baterías (BESS), cargadores rápidos, entre otros. Cada módulo de potencia posee una unidad de control propia coordinada por una unidad central, lo que permite implementar esquemas de control distribuido. Además, la plataforma contempla una etapa de amplificación de potencia trifásica, que permite generar físicamente los voltajes y corrientes de un punto común de acoplamiento con una red eléctrica emulada en tiempo-real. Esto permite estudiar la interacción de la red emulada con los sistemas eléctricos y las topologías de conversión emergentes descritas anteriormente. Por consiguiente, esta plataforma agiliza el prototipado, tanto en hardware de potencia como de control, permitiendo la validación experimental de estrategias de control distribuido que, a diferencia del control centralizado (tradicionalmente utilizado en la academia e industria), presenta ventajas que son de utilidad para mejorar la resiliencia de los sistemas eléctricos, como son: mejor confiabilidad, flexibilidad, escalabilidad, operación plug-and-play y tolerancia a fallas de un solo punto.

PROPOSAL ABSTRACT: Cyber-attacks in modular multilevel converters (MMCs) Cyber-attacks on electrical systems are a major concern to many countries as they can have significant impacts on social well-being and economic prosperity. Recent examples of such attacks are (i) the cyber-attacks that targeted the supervisory control data acquisition (SCADA) system of the Ukrainian power grid, causing a power outage that affected approximately 225,000 customers, (ii) the cyber-attack that occurred in 2019 in Venezuela, affecting the power supply of Caracas city, and (iii) the cyber-attacks that affected battery control systems in Korea, resulting in fire and damage. These examples show that cyber-attacks can significantly affect the normal operation of electrical systems and have motivated much research around the world. Much of the published research deals with cyber-attack issues in electrical systems such as microgrids, smart grids and modern power systems. However, cyber-attacks in modular multilevel converters (MMCs) have received limited attention: a recent letter (2021, see introduction section) is the only article published in this area so far. The MMC is deemed to be a prominent solution for medium to high-voltage and high-power applications, with several commercial converters adopting this approach and numerous projects worldwide using this topology. This project aims to investigate cyber-attack issues in the MMC control system and addresses the lack of investigation in this area. In particular, this research will consider the MMC in the context of high voltage direct current (HVDC) transmission systems since this topology is a promising solution to transfer power over long distances. It has been widely used in commercial projects (Trans Bay Cable, Dolwin2, Nano3-terminal DC grid, etc.). In this project, distributed control schemes for controlling the MMC are considered. For this control approach, low-level control tasks are distributed among local controllers placed in the MMC submodules, while high-level control tasks are undertaken by a central controller. The computational burden for the central controller is therefore reduced. The distributed architecture is chosen since the MMC for HVDC applications requires a high number of submodules (SMs). In this case, if the traditional centralised control scheme is used, where a central controller is in charge of processing all the information required for implementing the whole control system, the execution time may not be sufficient for each control cycle to perform all the control tasks, limiting the modularity, flexibility and expandability of this topology (in terms of software development). This project will investigate and quantify the impacts, in terms of operation and stability, of the type of cyber-attack named “false data injection attacks” (FDIAs ) on distributed control systems used for MMCs. Particular focus will be centred on designing strategies for detecting these cyber-attacks and locating the vulnerable sub-modules in the MMC. Also, novel cyber-attack-resilient distributed control schemes will be proposed. It must be pointed out that all the methods derived in this project will be validated through simulation and experimental results. To this end, the cyber-attack detection methods will be based on state observers (Kalman filter, particle filter, etc.) and artificial intelligence (AI) based observers. Note that these detection methods should operate in a distributed architecture, meaning the state estimation should be performed based on partial information of the system. They should be able to be implemented on the SMs local controllers. Finally, once the cyber-attacks are identified, control schemes to neutralise those attacks will be investigated, generating cyber-attack-resilient distributed control schemes for the MMC. The objectives of this proposal are (i) Analyse and quantify the effects of cyber-attacks on the standard distributed control strategies proposed for MMCs and the ones recently proposed based on the consensus theory, (ii) Design distributed methods for the detection of the cyber-attacks considered in this project, (iii) Design of cyber-attacks-resilient distributed control schemes for the MMC, and (iv) Implement an experimental rig for testing and validate the proposals derived from this research. Since there is no literature regarding cyber-attacks in MMCs, the literature review will be focused on work dealing with cyber-attacks on other electrical systems such as microgrids, smart grid and modern power systems. The aim will be to determine if the techniques proposed for these systems can be adapted for the MMC. A similar approach will be followed to address cyber-attack-resilient distributed control schemes. The main contributions of this project will be: 1. The project will provide the foundation for research into cyber-attacks in MMC, as so far, there is very little information in the literature on this topic. Note that cyber-attacks are a hot topic in other electrical systems. Thus it should be investigated for the MMC. 2. Novel distributed methods for detecting cyber-attacks in MMCs will be proposed and validated through simulations and experiment. 3. Novel cyber-attack-resilient distributed control schemes for the MMC will be proposed and validated through simulations and experiment. 4. An experimental rig to analyse and validate the points mentioned above will be designed and built. It will be composed of a central controller and local controllers placed in each SM of the MMC.

En la región de O’Higgins la agricultura es una actividad económica relevante tanto a escala industrial como a pequeña escala familiar, representando un 26 % del empleo regional durante el período septiembre-diciembre 2019 (ODEPA, Boletín de Empleo, Feb. 2020). Hoy en día, esta actividad se ve afectada profundamente por el cambio climático y sus efectos, como son por ejemplo: los fenómenos climáticos extremos, y la escasez de agua. Por otro lado, se suman los problemas de índole energético, como son: el alto costo de la energía, acceso limitado al suministro eléctrico, problemas de eficiencia energética y la alta dependencia de combustibles fósiles, los que se utilizan mayoritariamente en operación de maquinaria agrícola, transporte e irrigación. Dado este contexto, esta propuesta abordará aspectos de índole energético que suelen ser barreras para el crecimiento, la innovación, y una mayor sustentabilidad en la agricultura. En este sentido, hoy en día las micro-redes se plantean como una solución real para problemas de generación eléctrica en lugares aislados de la red de suministro eléctrico, como ocurre en muchas comunidades rurales. Al mismo tiempo, las micro-redes pueden ser una buena alternativa de autogeneración complementaria que disminuya la dependencia de un servicio eléctrico centralizado de alto costo y con problemas de interrupciones de lenta reposición. Esto último suele ser un problema frecuente en las localidades rurales. En particular, el proyecto instalará y desarrollará en la región de O’Higgins capacidades humanas avanzadas y fortalecerá la cooperación internacional en temáticas relacionadas con el uso de micro-redes en agricultura. También, se instalará un proyecto piloto de micro-red eléctrica aplicado en cultivos bajo invernadero. Durante el desarrollo del proyecto se capacitarán estudiantes de pregrado, postgrado, ingenieros en temas de diseño y control de micro-redes y los desafíos que plantea su uso en el contexto de la agricultura. Una vez hecho esto, se pretende difundir el conocimiento adquirido hacia la comunidad en general, con foco en agricultores, industria agrícola y comunidad científica-profesional (tanto nacional como extranjera). Además, se buscará presentar las principales conclusiones de este proyecto en conferencias científicas nacionales y/o internacionales. Por otro lado, el proyecto piloto de micro-red eléctrica pretende ser un sistema demostrativo de distintas tecnologías de generación eléctrica aplicadas en agricultura, incorporando generación fotovoltaica (convencional opaca, semitransparente, y bifacial), generación eólica, y un banco de baterías. Actualmente, la Universidad de O’Higgins Campus Colchagua, cuenta con dos invernaderos de 100 m2 cada uno con 10 kW de paneles fotovoltaicos instalados en sus techos, iniciativa financiada por el Gobierno Regional de O’Higgins a través del proyecto FIC/IDI/30487884-0. Con las acciones propuestas se busca fortalecer la colaboración internacional, empoderar a las comunidades y promover el uso de nuevas tecnologías y fuentes de energía renovable como motor de desarrollo e innovación en la agricultura, al mismo tiempo que se reduce la generación de gases de efecto invernadero, contribuyendo a lograr una agricultura energéticamente sustentable.

Un tercio del consumo energético final en Chile corresponde al sector del transporte, lo que representa aproximadamente el 20% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero (GEI) del país. Los vehículos eléctricos presentan una interesante oportunidad pues contribuyen a reducir las emisiones de GEI al obtener su energía de fuentes limpias. Actualmente la participación de Chile en el mercado automotriz, especialmente en vehículos eléctricos, es baja, por lo que se han generado políticas públicas para fomentar el desarrollo de la electromovilidad. Se espera que para el año 2035, el 100% de los vehículos privados y el 100% de la flota de transporte público sean eléctricos. Esto plantea numerosos desafíos, especialmente en términos de infraestructura de carga, donde se estima que se necesitarán más de 130,000 puntos de carga para el año 2035. En este contexto, este proyecto busca implementar una plataforma llamada "Configurable Electrical Vehicle Supply Equipment for Testing Electric Vehicles and Enhancing Interoperability with Smart Grids", que consta de 4 unidades capaces de realizar pruebas de operación multiprotocolo y análisis de comunicaciones para evaluar interoperabilidad, protocolos, estándares de carga y aplicaciones de vehicle-to-grid y vehicle-to-vehicle. Cada unidad, llamada Charging Discovery System, puede emular vehículos eléctricos y cargadores, utilizando fuentes programables que no solo emulan los protocolos, sino que también generan transferencia de energía eléctrica, simulando el proceso de carga en tiempo real. Además, se complementará la plataforma con un vehículo eléctrico equipado con los protocolos de comunicación CCS2 y GBT, considerando el estándar chino de comunicaciones. El equipo de investigación, liderado por la Universidad de Santiago de Chile, cuenta con la colaboración de la Universidad Andrés Bello, Universidad de O'Higgins y Universidad Austral de Chile, donde se instalarán las unidades de la plataforma. Asimismo, se cuenta con colaboraciones internacionales de la Universidad de Nottingham, Zurich U. of Applied Sciences y la Universidad de Costa Rica. El proyecto cuenta con el patrocinio del Ministerio de Energía del Gobierno de Chile y la Agencia de Sostenibilidad Energética, instituciones encargadas de promover políticas y desarrollar la electromovilidad a nivel nacional. También se ha establecido una colaboración con 4 liceos con el objetivo de difundir temas relacionados con la electromovilidad entre los estudiantes secundarios, quienes podrán visitar y utilizar el equipo en actividades de divulgación. El equipo investigador cuenta con una sólida experiencia demostrada a través de proyectos en curso y publicaciones en el campo de estudio, destacando una amplia red de colaboración. La implementación de esta plataforma será una valiosa contribución para estudiantes y académicos asociados a 13 programas de pregrado y posgrado en universidades nacionales, así como a 9 programas académicos internacionales y hasta 8 proyectos de investigación vigentes hasta el 2025. La instalación de esta plataforma permitirá generar publicaciones indexadas de alta calidad, ofrecer tesis de pregrado y posgrado, establecer redes de contacto, organizar eventos de divulgación y brindar servicios de asesoría técnica a la industria. De esta manera, se contribuirá a dotar al país instalaciones únicas a nivel regional, fortaleciendo la capacidad de generar investigación y desarrollo en electromovilidad.

En los últimos años, la electromovilidad a nivel mundial ha tenido un aumento significativo, el que ha sido motivado por la necesidad mundial de disminuir la dependencia de combustibles fósiles, para ir hacia una matriz energética basada en fuentes de energías más limpias, menos contaminantes y amigables con el medio ambiente. En recientes años ha habido un aumento significativo de vehículos híbridos y totalmente eléctricos transitando en las calles del mundo. Por ejemplo, el año 2021 hubieron cerca de 16.5 millones de este tipo de vehículos y se espera un aumento exponencial en los años siguientes. Chile no está ajeno a esta tendencia, teniéndose que la venta de modelos eléctricos en 2011 hasta agosto de 2022 ha sido de 1.522 vehículos 100% eléctricos (EV), a los que se suman 607 modelos híbridos Plug-In (PHEV), conformando un parque total de 2.129. Además, se espera que al 2030 el parque de vehículos eléctricos alcance las 80.000 unidades circulando. Al analizar un vehículo eléctrico, se tiene que, de manera general, sus componentes son bastantes similares a los presentes en vehículos de combustión interna. La diferencia principal radica en que los vehículos totalmente eléctricos o híbridos tienen incorporado un banco de baterías, el que se compone de cientos de celdas de baterías de ion litio interconectadas entre sí. En este sentido, la energía almacenada por un banco de baterías se caracteriza por su capacidad nominal. Notar que la capacidad de una batería va disminuyendo con su uso, por lo cual, es un indicador del nivel de degradación de la misma. Una práctica común en electromovilidad es reemplazar el banco de baterías cuando éste ha alcanzado ha alcanzado un 80% de su capacidad nominal. Notar que, en este contexto, si bien el banco de baterías descartado no puede ser utilizado en aplicaciones de electromovilidad, si puede ser utilizado en otras aplicaciones menos demandantes como almacenamiento estático de energía. Tomando en cuenta el auge de la electromovilidad en el mundo y que un banco de baterías de un vehículo eléctrico típicamente tiene una vida útil de 10 años, se tendrá en el corto plazo, a nivel mundial, un gran número de bancos de baterías desechados de aplicaciones de electromovilidad. En este escenario, en este proyecto, se detecta el problema de qué hacer con la gran cantidad de baterías desechadas que habrá a nivel mundial en pocos años. Notar que este tipo de baterías no pueden ser desechadas en vertederos de basura ya que contienen materiales peligrosos tanto para los seres humanos como para el medio ambiente. Además, no pueden ser almacenadas en los domicilios particulares de los dueños de los vehículos, ya que, si son manipulados incorrectamente, pueden explotar, generando fuego y gases nocivos. En base a esto, la oportunidad que se aborda con este proyecto es de valorizar este residuo (baterías desechadas) en un producto de valor para el mercado y la sociedad y que pueda ser utilizado como almacenamiento de energía en otras aplicaciones. En particular, proponemos una topología de electrónica de potencia capaz de integrar baterías de distintos tipos (voltaje nominal, capacidad, química, etc.) y mediante técnicas de control avanzadas, hacer funcionar el dispositivo como una sola entidad desde el punto de vista de la aplicación y/o usuario final y al mismo tiempo, gestionar internamente los estados (estado de carga, nivel de degradación, etc.) de todas las baterías integradas por la topología (para optimizar el funcionamiento y autonomía del dispositivo).

Implementación de una microrred de energías renovables (solar, eólica y geotérmica) en el distrito salinero artesanal Barranca-La Villa de Cáhuil. Implementación de una planta piloto geotérmica de producción de sal y electrificación de bombas y planta de yodación comunitaria mediante energías renovables no convencionales.

Es un hecho aceptado en la comunidad científica que la emisión de CO2 es de los grandes responsables del calentamiento global. Por ello, ha habido muchas iniciativas para lograr la reducción de estas emisiones. Chile en particular, ha suscrito el compromiso de Carbono Neutralidad al 2050 y en ese contexto ha redactado una Estrategia Nacional de Electromovilidad para dar una hoja de ruta para estimular su adopción. Se espera que la transición hacia la electromovilidad y el fomento a la eficiencia energética en transporte contribuirá con cerca del 20% de las reducciones de emisiones de CO2 necesarias para lograr dicho compromiso. Dado este contexto, esta propuesta abordará diversos aspectos relacionados con la electromovilidad, con foco en la región de O’higgins, donde la adopción ha sido más lenta de lo esperado, contando por ejemplo con reducida infraestructura de carga y venta de vehículos eléctricos. Se destaca además que previo a la inauguración de la Universidad de O’Higgins, no había una institución que formara capital avanzado en estas temáticas. Por lo anterior, en este proyecto, se pondrá especial atención al modelamiento de baterías y/o flotas de vehículos eléctricos (VEs), de gestión y métodos toma de decisiones en aplicaciones como gestión de flotas, interconexión de VEs en la red y asignación de precios, y desarrollo de métodos de control para motores eléctricos, conversores, baterías y otros para electromovilidad. El proyecto instalará y desarrollará en la Región de O’Higgins capacidades humanas avanzadas y fortalecerá la cooperación nacional e internacional en temáticas relacionadas con la electromovilidad. Se realizará difusión y divulgación hacia la comunidad tanto en la Universidad de O’Higgins (UOH) como en las instituciones asociadas, considerando actividades presenciales y online: Las actividades online se dejarán abiertas al público en youtube. Esta propuesta contempla la ejecución de 3 modalidades de vinculación. En la primera modalidad (A) se realizarán 3 viajes por parte de estudiantes de pre y posgrado y académicos a las instituciones extranjeras participantes del proyecto para capacitarse/especializarse en modelamiento, gestión y control para electromovilidad. En la segunda modalidad (B) se realizarán cátedras y talleres online, para cursos de pre y posgrado en la Universidad de O’Higgins y abiertos a todas las instituciones participantes del proyecto. En la tercera modalidad (C) se realizarán 2 encuentros nacionales donde se realizarán seminarios y talleres presenciales y reuniones de investigación, donde están invitados alumnos de pre y posgrado de las instituciones participantes, y se realizará el Encuentro de Electromovilidad de O’Higgins 2024, donde se invitará 3 participantes extranjeros e investigadores nacionales participantes del proyecto, para difundir a la comunidad los avances en el área de la electromovilidad y estimular su adopción. Con este mismo propósito, se adquirirá e instalará en la UOH 2 puntos de recarga de vehículos eléctricos. Notar que actualmente la UOH tiene en su campus rancagua un cargador de bicicletas eléctrico del tipo solar-eólico para uso del estudiantado y la comunidad en general Finalmente, se buscará presentar las principales conclusiones y/o resultados de este proyecto en conferencias científicas o revistas nacionales y/o internacionales. Con las acciones propuestas se busca fortalecer la colaboración internacional, empoderar a las comunidades y promover el uso de nuevas tecnologías de cero emisiones en medios de transporte en la región y el país, al mismo tiempo que se reduce la generación de gases de efecto invernadero, contribuyendo a lograr una sociedad energéticamente sustentable.

En particular, el proyecto instalará y desarrollará en la región de O’Higgins capacidades humanas avanzadas y fortalecerá la cooperación internacional en temáticas relacionadas con el uso de micro-redes en agricultura. También, se instalará un proyecto piloto de micro-red eléctrica aplicado en cultivos bajo invernadero.