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Os sistemas modernos de distribuição utilizam fontes de energias renováveis (FER) como geração distribuída que acarretam problemas nos sistemas de proteção, ilhamentos não-intencionais e reversibilidade no fluxo de potência. As características intermitentes das FER podem provocar desvios de frequência e, consequentemente, instabilidades na rede elétrica. Em geral, estruturas de controle hierárquicas implementam o gerenciamento do fluxo de potência dessas microrredes. Ele é normalmente composto por três camadas de controle, denominadas de: primário, secundário e terciário. A camada de controle primário é responsável pela implementação das malhas internas, utilizadas para regulação das tensões e correntes dos sistemas de geração distribuída. Elas são tipicamente implementadas por meio técnicas de controle por controle por decaimento e tem como finalidade, a manutenção da estabilidade de tensão e de frequência desses sistemas. Eles também são responsáveis pela distribuição de potência entre os elementos da microrrede. As principais desvantagens do controle por decaimento referem-se aos desvios de frequência e de tensão verificados em regime permanente. Para compensar esses desvios, é inserida uma camada de controle secundário responsável pela restauração dos valores de tensão e de frequência nos pontos de acoplamento. O conhecimento preciso dos desvios de frequência da microrrede permite a implementação da restauração efetiva da sua frequência de operação. Além disso, essas microrredes podem operar nos modos conectado ou ilhado. Desta forma, para manter a integridade do sistema, ocorrência de ilhamentos ou faltas devem ser detectadas e tratadas para assegurar a estabilidade do sistema. Neste sentido, a transformada wavelet contínua se mostra uma ferramenta útil para implementação de um sistema de detecção da ocorrência de ilhamentos. Esse sistema pode ser concebido segundo diferentes metodologias, dentre as quais, destaca-se o sistema híbrido, composto pela integração de sistemas passivos e ativos. O referido sistema é capaz de monitorar a frequência da rede elétrica, e por meio deste, gerar informação suficiente para promover a identificação segura de condições de ilhamento. Nesta tese, utiliza-se as potencialidades da transformada wavelet contínua para o desenvolvimento dos sistemas de detecção e identificação da condição de ilhamento e o do monitoramento da frequência das microrredes. A eficácia dos métodos propostos é avaliada e validada por meio de resultados experimentais, obtido em uma microrrede CA, experimental. The modern distribution system widely uses renewable energy sources (RESs) as a distributed generation that introduces problems like unintentional islanding, protection concerns, and reverse power flow. The RES intermittent characteristics can cause frequency deviations that could result in systems instabilities. In general, hierarchical structures implement power flow control management of these microgrids, composed of primary, secondary, and tertiary control layers. The primary control layer consists of inner current and voltage control loops, typically implemented via droop control loops, for the purpose of maintaining stabilization of frequency and voltage amplitudes, as well as power-sharing. The principal drawbacks of droop control approaches are steady-state frequency and voltage deviations. For that reason, the secondary control layer is introduced to mitigate these deviations. The accurate knowledge of microgrid frequency deviations permits the implementation of proper frequency restoration. Besides, those microgrids could operate in the connected or islanding modes. Islanding or fault occurrences must be detected and treated to ensure system stability. This way, the continuous wavelet transform is employed to develop a hybrid islanding detection and a frequency monitor to fulfill the microgrid requirements related to a secure islanding detection and a frequency restoration. In this thesis, the development of both systems is carried out, with the effectiveness of proposed methods evaluated and validated through experimental results.

Microgrids are a very good solution for current problems raised by the constant growth of load demand and high penetration of renewable energy sources, that results in grid modernization through “Smart-Grids” concept. The impact of distributed energy sources based on power electronics is an important concern for power systems, where natural frequency regulation for the system is hindered because of inertia reduction. In this context, Direct Current (DC) grids are considered a relevant solution, since the DC nature of power electronic devices bring technological and economical advantages compared to Alternative Current (AC). The thesis proposes the design and control of a hybrid AC/DC Microgrid to integrate different renewable sources, including solar power and braking energy recovery from trains, to energy storage systems as batteries and supercapacitors and to loads like electric vehicles or another grids (either AC or DC), for reliable operation and stability. The stabilization of the Microgrid buses’ voltages and the provision of ancillary services is assured by the proposed control strategy, where a rigorous stability study is made. A low-level distributed nonlinear controller, based on “System-of-Systems” approach is developed for proper operation of the whole Microgrid. A supercapacitor is applied to deal with transients, balancing the DC bus of the Microgrid and absorbing the energy injected by intermittent and possibly strong energy sources as energy recovery from the braking of trains and subways, while the battery realizes the power flow in long term. Dynamical feedback control based on singular perturbation analysis is developed for supercapacitor and train. A Lyapunov function is built considering the interconnected devices of the Microgrid to ensure the stability of the whole system. Simulations highlight the performance of the proposed control with parametric robustness tests and a comparison with traditional linear controller. The Virtual Synchronous Machine (VSM) approach is implemented in the Microgrid for power sharing and frequency stability improvement. An adaptive virtual inertia is proposed, then the inertia constant becomes a system’s state variable that can be designed to improve frequency stability and inertial support, where stability analysis is carried out. Therefore, the VSM is the link between DC and AC side of the Microgrid, regarding the available power in DC grid, applied for ancillary services in the AC Microgrid. Simulation results show the effectiveness of the proposed adaptive inertia, where a comparison with droop and standard control techniques is conducted., Les Microgrids sont une excellente solution aux problèmes actuels soulevés par la croissance constante de la demande de charge et la forte pénétration des sources d’énergie renouvelables, qui se traduisent par une modernisation du réseau grâce au concept de “Smart-Grids”. L’impact des sources d’énergie distribuées basées sur l’électronique de puissance est une préoccupation importante pour les systèmes d’alimentation, où la régulation naturelle de la fréquence du système est entravée en raison de la réduction de l’inertie. Dans ce contexte, les réseaux à courant continu (CC) sont considérés comme une solution pertinente, car la nature CC des appareils électroniques de puissance apporte des avantages technologiques et économiques par rapport au courant alternatif (CA). La thèse propose la conception et le contrôle d’une Microgrid hybride AC/DC pour intégrer différentes sources renouvelables, y compris la récupération d’énergie solaire et de freinage des trains, aux systèmes de stockage d’énergie sous forme de batteries et de supercondensateurs et à des charges telles que les véhicules électriques ou d’autres réseaux (AC ou DC), pour un fonctionnement et une stabilité fiables. La stabilisation des tensions des bus du Microgrid et la fourniture de services systèmes sont assurées par la stratégie de contrôle proposée, où une étude de stabilité rigoureuse est réalisée. Un contrôleur non linéaire distribué de bas niveau, basé sur une approche “Systemof- Systems”, est développé pour un fonctionnement correct de l’ensemble du Microgrid. Un supercondensateur est appliqué pour faire face aux transitoires, équilibrant le bus CC du Microgrid et absorbant l’énergie injectée par des sources d’énergie intermittentes et possiblement très fortes comme celle provenant du freinage régénératif de trains ou metros, tandis que la batterie réalise le flux de puissance à long terme. Un contrôle de linéarisation par bouclage dynamique basé sur une analyse par perturbation singulière est développé pour les supercondensateurs et les trains. Des fonctions de Lyapunov sont construites en tenant compte des dispositifs interconnectés au Microgrid pour assurer la stabilité de l’ensemble du système. Les simulations mettent en évidence les performances du contrôle proposé avec des tests de robustesse paramétriques et une comparaison avec le contrôleur linéaire traditionnel. L’approche VSM (Virtual Synchronous Machine) est implémentée dans le Microgrid pour le partage de puissance et l’amélioration de la stabilité de fréquence. Une inertie virtuelle adaptative est proposée, puis la constante d’inertie devient une variable d’état du système qui peut être conçue pour améliorer la stabilité de fréquence et le support inertiel, où l’analyse de stabilité est effectuée. Par conséquent, le VSM est la connexion de liaison entre les côtés DC et AC du Microgrid, où la puissance disponible dans le réseau DC est utilisée pour les services système dans les Microgrids AC. Les résultats de la simulation montrent l’efficacité de l’inertie adaptative proposée, où une comparaison avec la solution de statisme et le contrôle standard est effectuée.

Este trabalho apresenta a análise e o desenvolvimento experimental de uma estrutura topológica de retificador híbrido trifásico que oferece as características operacionais de imposição de correntes de linha de entrada senoidais, de alto fator de potência, de reduzida distorção harmônica total de corrente e de fornecimento de um barramento CC com tensão regulada utilizando a inovadora técnica de Compensação Série de Tensão no Barramento CC tanto para condições normais de suprimento da rede elétrica como para condições de afundamentos temporários de tensão equilibrados e desequilibrados na rede CA. Para corroborar com a teoria exposta e com as análises de simulação computacional, um protótipo de 5 kW foi construído e ensaios experimentais realizados em laboratório permitiram demonstrar que para condições normais de suprimento da rede CA a solução proposta assegura distorções harmônicas de corrente na ordem de 2% e um fator de potência por fase próximo do valor unitário (0,996), além de ser capaz de regular e manter a tensão no barramento CC constante mesmo durante o transitório provocado por um degrau de carga de alta potência. Durante a ocorrência de afundamentos de tensão, a estrutura é capaz de regular a tensão do barramento CC no valor de referência estabelecido, assegurando elevado fator de potência mesmo durantes estes distúrbios da rede CA de alimentação. Destaca-se que estas características operacionais, além de serem alcançadas com os conversores chaveados que compõem a estrutura processando apenas uma parcela da potência total de saída, tornando o conjunto mais eficiente e robusto, fazem da estrutura proposta uma excelente alternativa para aplicações com elevados níveis de potência envolvendo a alimentação de cargas CC sensíveis aos distúrbios provocados pela rede CA e para aplicações que compreendem a compensação de oscilações de tensão devido às intermitências dos sistemas de microgeração que compõem as redes de distribuição em corrente contínua das microrredes. This work presents the analysis and the experimental development of a topological structure of three-phase hybrid rectifier, which provides operational characteristics for imposing sinusoidal input line currents, with high power factor, low current total harmonic distortion and providing a DC bus with regulated voltage using the innovative technique of Series Voltage Compensation in the DC Bus for both normal conditions of mains power supply and for temporary sags for balanced and unbalanced voltage ac power supply conditions. In order to corroborate the exposed theory and with computational simulation analysis, a 5 kW prototype was assembled and experimental tests were conducted in laboratory. The results demonstrated that under normal conditions of AC mains supply the proposed solution ensures harmonic distortions about 2 % for the input AC currents and a power factor per phase approximately unitary (0.996). Moreover, the prototype can regulate and maintain the DC bus voltage in a constant value even during the transient caused by a high-power load step. During the occurrence of voltage sags, the structure can regulate the DC bus voltage in the established reference value, ensuring high power factor even during AC mains power supply disturbances. One can emphasize that these operational characteristics, in addition of being achieved with the switched converters that comprise the structure processing only an amount of the total output power, was observed that the whole assembly is more efficient and robust. The proposed structure is an excellent alternative for supplying high power DC loads sensitive to disturbances caused by AC mains and for applications involving voltage oscillations compensation due to intermittences of microgeneration systems that are connected to DC distribution of microgrids. Tese (Doutorado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O objetivo deste trabalho é estudar as microrredes CA, seus métodos de controle e seus modos de operação: ilhado e conectado à rede elétrica. Inicialmente, é feita uma apresentação geral. A história das microrredes é contada brevemente e, em seguida, seu desenvolvimento recente é considerado. Os principais conceitos são tratados. Os diversos componentes que constituem uma microrrede são detalhados. Seguem investigações sobre os controles e as arquiteturas das microrredes. Normas sobre o assunto são debatidas. São ainda exploradas as relações existentes entre as microrredes, a qualidade da energia, os serviços ancilares e as redes elétricas inteligentes. Após esta abordagem universal, as técnicas de controle para operações ilhada e conectada à rede tornam-se o foco do trabalho. Para as microrredes ilhadas, os requisitos e as propostas de controle são comentados. Os controles internos, formados por controladores Proporcional-Ressonante, têm suas estruturas delineadas. O modo ilhado só é possível pelo emprego do controle primário, que permite o paralelismo dos inversores e o compartilhamento de potências. Para o presente trabalho, o método de controle droop convencional é o escolhido para tanto. Ele realiza estas funções de forma simples, flexível e sem comunicação. Uma microrrede CA monofásica é, então, descrita e projetada, servindo para análise dos dois modos de operação. Resultados de simulação computacional mostram a eficácia dos controles para diferentes regimes de funcionamento, como variações de carga, falha em inversores e rejeição de carga. Algumas dificuldades do modo ilhado, como desvios de frequência e de tensão e limitação no equilíbrio energético, são sanadas no modo conectado à rede, que é o último tópico do trabalho. Todas as condições para a conexão da microrrede à rede de distribuição são discutidas. Os elementos que fazem a ligação entre os dois sistemas, as técnicas de sincronização e a chave de interconexão, são avaliados. Uma revisão bibliográfica sobre as técnicas de controle para este modo é feita. Finalmente, como contribuição principal do trabalho, é proposto um método de controle para sincronização, transição suave e conexão da microrrede à rede elétrica. A técnica permite o controle completo do fluxo de potências ativa e reativa entre a microrrede e a rede de distribuição, sendo feito individualmente para cada conversor. Simulações computacionais conferem e corroboram a proposta de método de controle. A sincronização é realizada para diferentes situações de ângulo de fase, de frequência e de amplitude da tensão da rede elétrica. A transição suave é verificada. Importação e exportação de potências, mudanças de carga, saída de unidades, alteração individual de produção e correção do fator de potência são algumas das conjunturas examinadas. O retorno ao modo ilhado também é exibido. Otimização de processos, criação de um mercado de energia, aprimoramento da qualidade da energia, provimento de serviços ancilares e mitigação de impactos ambientais são alguns dos recursos disponíveis pelo controle e conexão entre os dois sistemas. The objective of this work is to study AC microgrids, their control methods and their operation modes: islanded and grid-connected. Initially, a general presentation is made. The history of microgrids is briefly told and then their recent development is considered. The main concepts are dealt with. The many components that constitute a microgrid are detailed. Investigations on microgrids controls and architectures are followed. Standards about the subject are debated. The existing relationships among microgrids, power quality, ancillary services and smart grids are explored. After this universal approach, the control techniques for islanded and grid-connected operations become the work focus. For islanded microgrids, the requirements and the control proposals are commented. The inner controls, formed by Proportional-Resonant controllers, have their structures outlined. The islanded mode is only possible by the employment of the primary control that permits the parallel operation of inverters and the power sharing. For the present work, the conventional droop control method is the chosen one for this. It performs these functions in a simple, fast, flexible and without communication way. A single-phase AC microgrid is then described and designed, serving for analysis of the two modes of operation. Computational simulation results show the controls efficiency for the different working regimes, like load variations, inverters failures and load shedding. Some of the islanded mode difficulties, like frequency and voltage deviations and limitations on the power equilibrium, are healed in the grid-connected mode, which is the last topic of the work. All the conditions for the connection of a microgrid to the distribution grid are discussed. The elements that make the connection between the two systems, the synchronization techniques and the interconnection switch, are evaluated. A bibliographic revision about the control techniques for this mode is made. Finally, as the main contribution of this work, it is proposed a control method for synchronization, seamless transfer and connection of the microgrid to the power grid. The technique allows the complete active and reactive powers flow control between the microgrid and the distribution grid, being done individually for each converter. Computational simulations check and corroborate the control method proposed. The synchronization is realized for different grid phase-angle, frequency and voltage magnitude situations. The seamless transfer is verified. Power import and export, load changes, units exit, individual changes of production and power factor correction are some of the examined conjunctures. The return to the islanded mode is also exhibited. Process optimization, creation of an energy market, power quality enhancement, ancillary services provision and mitigation of environmental impacts are some of the available resources by the control and connection of the two systems. Dissertação (Mestrado)

El suministro de energía eléctrica funciona como un catalizador para garantizar la calidad de vida de los seres humanos. Sin embargo, en la actualidad existen millones de personas en el mundo que no cuentan con este servicio o lo perciben a través de grandes limitantes. Las microrredes ofrecen una alternativa atractiva para suplir esta necesidad, ya que permiten integrar diferentes recursos energéticos de acuerdo con las necesidades de los usuarios, de manera confiable y eficiente. Para que la microrred sea una alternativa viable en la prestación del servicio de energía eléctrica en comunidades aisladas o zonas no interconectadas, debe operar de manera segura y confiable, por lo cual se debe garantizar un adecuado esquema de protección que supere los desafíos que se presentan ante la inclusión de fuentes diversas y bajas corrientes de cortocircuito sin afectar drásticamente los presupuestos económicos. En este documento se propone una guía de selección del esquema de protección a implementar en una microrred aislada. La guía surge del reconocimiento de los desafíos asociados a la coordinación de protecciones de sobrecorriente en microrredes y a la evaluación de criterios de protección convencionales (aplicables a redes de distribución y transmisión) comparando sus ventajas y desventajas ante diferentes condiciones de operación en una microrred tipo. Finalmente se aplica la guía de selección para proponer un esquema de protección para la microrred en baja tensión que está desarrollando la Universidad Autónoma de Occidente UAO Proyecto de grado (Magister en Sistema energéticos)-- Universidad Autónoma de Occidente, 2020 Maestría Magíster en Sistemas Energéticos

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Os geradores distribuídos são conectados ao sistema de distribuição e fornecem energia às cargas conectadas a ele e à rede principal em caso de excesso de geração. A partir daí também surgiram as microrredes que são sistemas formados pela GD, cargas e armazenamento de energia que operaram conectados e ilhados. Quando uma microrrede possui conexão à rede principal se diz que ela opera em modo conectado à rede e se operar sem conexão à rede principal classifica-se como operação ilhada. Para funcionamento ilhado, é necessário que a microrrede possua um conversor formador de rede para estabelecer a tensão e frequência no ponto de acoplamento comum (PAC), que em caso de operação conectada é feito pela rede principal. O propósito deste trabalho é o estudo, desenvolvimento e construção de um conversor formador de rede multiterminal trifásico de 5.1 kW para uso em uma microrrede. Os conversores CC/CC conectados ao conversor formador de rede são utilizados para gerenciar a transferência da potência ativa do arranjo fotovoltaico (PV) e sistema de armazenamento de energia formado por um banco de baterias. O sistema é projetado para funcionar em modo conectado fornecendo energia a rede ou efetuando a carga das baterias e em modo ilhado executando a função de formador de rede, ou seja, estabelecendo a frequência e tensão no PAC. Para o conversor são implementadas malhas de controle de corrente e tensão no referencial síncrono para controle da potência ativa injetada na rede em modo de operação conectado. Em modo de operação ilhado são implementadas malhas de controle da amplitude e frequência da tensão estabelecida no PAC. O PV e a bateria fornecem a potência ativa necessária para alimentar as cargas no modo de funcionamento ilhado. Adicionalmente, para este modo de funcionamento é implementada a sinalização por tensão do barramento CC (DBS) no qual os conversores CC/CC mudam seu modo de operação de acordo com o nível de tensão do barramento. Este trabalho apresenta os elementos do conversor, sua modelagem matemática e o projeto dos controles utilizados. A análise dos projetos é realizada por meio de simulação e posteriormente a validação prática do sistema onde é examinado o desempenho nos diversos modos de funcionamento. Todo o processamento e algoritmos de controle são implementados em uma FPGA, modelo sbRIO 9606, da National Instruments e controlados por supervisório feito em LabVIEW. Distributed generators are connected to the distribution system and supply power to the loads connected to it and the main grid in case of surplus power. Therefore, microgrids were conceived, which have GD, loads, and energy storage and operates connected the grid and in island mode. When a microgrid is connected to the main grid, it is said to operate in grid-connected mode and if the microgrid operates without any connection to the main grid, it is classified as islanded operation. For islanded operation, it is necessary to have a grid-forming converter to establish the voltage and frequency at the point of common coupling (PCC), which in case of grid-connected mode was done by the main grid. The purpose of this work is the study, development, and construction of a low voltage grid-forming converter to be used in a microgrid and that has 5.1kW of rated power. DC/DC converters connected to the grid-forming converter are used to manage the active power transfer from the photovoltaic array (PV) and energy storage system made of batteries. The system is designed to work in grid-connected mode supplying power to the microgrid or charging the batteries and in islanded mode performing the function of grid-forming, that is, establishing the voltage and frequency at the PCC. For the converter, current and voltage control loops are implemented for the control of the active and reactive power injected to the grid in grid-connected mode and control of the voltage's amplitude and the frequency at the PCC in islanded mode. The PV and batteries produce the active power necessary to supply the load in islanded mode. Additionally, for this working mode DC bus signaling (DBS) is implemented where DC/DC converters change their operation mode accordingly to the voltage level at the DC bus. This work presents the elements of the converter and its mathematical modeling and the design of the control strategy used. Analysis of the project is carried out by simulation and practical implementation of the system, where the performance in the various operating modes is examined. Processing and control algorithms are implemented in FPGA, model sbRIO9606, from National Instruments and controlled by supervisory designed with LabVIEW.

En la actualidad, el alto consumo de energía es una constante preocupación mundial debido al impacto que esto causa sobre el planeta, múltiples soluciones desde los puntos de vista técnico, social y económico han buscado mitigar estos problemas. Una de estas soluciones es la conocida como microrred, la cual integra fuentes de energía renovable mediante interfaces de potencia con el fin de brindar el servicio de energía eléctrica de calidad. El uso de conversores DC/AC en las microrredes es fundamental y por tanto se ha dedicado investigaciones desde las topologías, esquemas de modulación y control. Una de estas técnicas es la conocida como Generadores Síncronos Virtuales o Synchronverter, donde se trabaja el inversor como un generador síncrono. Por tanto, en el siguiente artículo se desarrolla la técnica de Synchronverter y control proporcional resonante para operar inversores en paralelo dentro de una microrred eléctrica The current high energy consumption is a constant global risk due to the impact that this causes on the planet, multiple solutions from the technical, social and economic points of view have sought to mitigate these problems. One of these solutions is known as microgrid, which integrates renewable energy sources through power interfaces in order to provide quality electric power service. The use of DC / AC converters in microgrids is fundamental and therefore has been investigated from the topologies, modulation and control schemes. One of these techniques is known as Virtual Synchronous Generators or Synchronverter, where the inverter is searched for as a synchronous generator. Therefore, in the following article the Synchronverter technique and proportional resonant control is developed to operate inverters in parallel with in an electrical microgrid Proyecto de grado (Magister en Sistemas Energéticos)-- Universidad Autónoma de Occidente, 2020 Maestría Magíster en Sistemas Energéticos

Submitted by Wagner Junior (wagner.junior@unioeste.br) on 2020-09-14T13:58:34Z No. of bitstreams: 2 Patricia_Poloni_2020.pdf: 5977897 bytes, checksum: abe7831a8e7656b7bf3ac7098cf7c101 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Made available in DSpace on 2020-09-14T13:58:34Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Patricia_Poloni_2020.pdf: 5977897 bytes, checksum: abe7831a8e7656b7bf3ac7098cf7c101 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2020-04-24 The microgrids (MGs) are small-scale electrical power systems that may operate both in islanded and grid-connected modes. The transition between MGs operating modes can result in equipment failures if the operation is performed without attending the required premises and criteria. In particular, the synchronization of MGs, referred to the transition between islanded to grid-connected operation mode, must be performed following the maximum voltage, frequency, and phase angle difference criteria at the Point of Common Coupling (PCC) between MG and the main grid. There are different control strategies to synchronize the MG with the main grid through adjustments in Distributed Generation (DG) sources connected to the MG. In order to determine the impacts of the connection between these systems and evaluate the MG synchronization process, this research focuses on applying a decentralized method based on multi-agent hierarchical control to synchronize a MG which was implemented in Matlab/Simulink R software and has different DG sources on its topology. Furthermore, a synchronization transients analysis routine based on MG simulations was proposed. The hierarchical control starts with the definition and modeling of leaders, followers and synchronism agents under the MG structure and energy sources mode of operation. This research has shown that MG connection influences at the DG sources connected into the MG, especially those based on synchronous generators, even when the connection occurs according to the connection requirements established by literature. The results have established into three scenarios. First it was defined the best agents’ hierarchy for MG synchronization, then evaluated the communication time delay between agents and observed the behavior of the implemented control when load variation occurs. The control method performance was acceptable and has resulted in a MG smooth connection. As Microrredes (MRs) são sistemas elétricos de potência em escala reduzida que podem operar tanto no modo ilhado quanto no modo conectado à rede de distribuição principal. A transição entre os modos de operação desses sistemas pode causar danos aos equipamentos instalados se realizada sem atender os critérios e premissas pré-estabelecidos. Especificamente, a sincronização de MRs, que trata do processo de transição do modo ilhado para o modo conectado, deve ser realizada dentro de requisitos máximos de diferenças de tensão, frequência e ângulo no Ponto de Conexão Comum (PCC) entre a MR e a rede principal. Existem diferentes estratégias de controle que realizam este sincronismo entre os sistemas por meio de ajustes nas fontes de Geração Distribuída (GD) presentes na MR. Com o intuito de identificar os impactos resultantes da interligação entre os sistemas e avaliar o processo de sincronização de MRs, este trabalho tem por objetivo principal a aplicação de um método de controle descentralizado baseado em hierarquia de agentes para realizar a sincronização de uma MR implementada em Matlab/Simulink R, que contém diferentes fontes de GD em sua topologia. Ademais, o trabalho apresenta uma rotina de análise dos transitórios de conexão de MRs à rede principal a partir das simulações da MR implementada. O controle hierárquico parte da definição e modelagem de agentes líderes, seguidores e de sincronismo de acordo com a topologia da MR e com o modo de operação das fontes. Ao longo do desenvolvimento do trabalho pôde-se notar que as fontes de GD presentes na MR são significativamente impactadas pela conexão com a rede principal, especialmente aquelas baseadas em geradores síncronos, mesmo quando realizada dentro dos limites pré-estabelecidos pela bibliografia. Os resultados do trabalho foram dispostos em três cenários em que primeiramente foi definida a melhor hierarquia de agentes para a sincronização da MR, em um segundo momento foi avaliada a influência do atraso na comunicação entre os agentes e por fim analisado o comportamento do controle implementado diante de variações de carga na MR. O desempenho do método de controle implementado na MR se mostrou satisfatório e resultou na conexão suave da MR.

Conceitos como a descentralização, a descarbonização e a democratização do uso da energia elétrica têm impulsionado e ocasionado um considerável aumento da geração distribuída. Em razão desse aumento e principalmente no que se refere às fontes intermitentes de energia, novos paradigmas e desafios aos sistemas de distribuição são propostos, com destaque para as microrredes. Essas estruturas reduzidas facilitam a integração das fontes distribuídas, dos sistemas de armazenamento e cargas locais, uma vez que são fundamentais para o avanço das chamadas redes inteligentes. Além disso, esses sistemas possuem a versatilidade de poderem operar tanto conectados à rede principal, ou de maneira ilhada. No entanto, apesar dos benefícios que essas arquiteturas apresentam, particularidades dessas redes devem ser consideradas, principalmente no que tange problemas de estabilidade, como a baixa inércia inerente destes sistemas e os eventos de transição entre os modos de operação. Os sistemas armazenadores de energia, principalmente as baterias, também têm se destacado, vivenciando um maior quadro quanto ao mercado e conjunto de aplicações. Apresentando-se dentre outras possibilidades, como ferramentas promissoras no que concerne aos desafios citados e a outros no que concerne à adequada operação das microrredes. Neste contexto, esta dissertação analisa por meio de simulações em ambiente Simulink/Matlab a contribuição que um sistema armazenador de energia, utilizando da tecnologia de lítio-íon, pode prover a estabilidade de frequência de uma microrrede frente a um distúrbio e sucessiva operação em modo ilhado. Para isso, utilizou-se um sistema teste baseado em uma microrrede real da Ilha de Ulleungdo, Coreia do Sul. Os resultados obtidos demonstram os benefícios que o sistema armazenador por baterias pode prover por meio dos controles por droop e inércia sintética, em relação ao desvio e taxa de variação de frequência da microrrede frente a eventos que ocasionem no desbalanço de potência ativa. Além disso, propõe-se também neste trabalho uma melhoria ao controle convencional por inércia sintética, em relação ao tempo de recuperação, um sistema de gerenciamento para controle da operação e manutenção do estado de carga do sistema armazenador. Concepts such as decentralization, decarbonization, and democratization of electricity use have an impact to increase distributed generation. Due to this growth and mainly concerning about intermittent sources of energy, new paradigms and challenges for distribution systems are proposed, with a highlight towards the microgrids. These reduced structures facilitate the integration of distributed sources, storage systems and local loads, being pointed as fundamental architectures for the advance of the so-called smart grids. In addition, these systems have the versatility to be able to operate either connected to the main grid or on an islanded mode. However, despite the benefits that these architectures present, one must also take into account the particularities of these systems, especially regarding their stability, such as the inherent low inertia of these systems and the transition events between modes of operation. Energy storage systems, especially batteries, have also attracted attention, experiencing a larger picture concerning the market and set of applications. Presenting itself among other possibilities, as promising tools with regard to the challenges mentioned and others concerning the proper operation of the microgrids. In this context, this work analyzes through simulations in Simulink / Matlab environment the contribution that an energy storage system, using lithium-ion technology, can provide the frequency stability of a microgrid in front of a disturbance and successive islanded mode operation. For this, it is used as a test system based on a real microgrid from Ulleungdo Island, South Korea. The obtained results demonstrate the benefits that the battery energy storage system employed can provide by means of droop and synthetic inertia controls, in relation to the deviation and rate of change of frequency of the microgrid before events that cause active power unbalance. Moreover, it is also proposed an improvement about synthetic inertia control over recovery time, a management system for controlling the operation and maintenance of the state of charge of the storage system. Dissertação (Mestrado)

Submitted by Wagner Junior (wagner.junior@unioeste.br) on 2020-03-17T13:15:48Z No. of bitstreams: 2 Paulo_Thiago_de_Godoy_2020.pdf: 5662715 bytes, checksum: f216a0cfe0e0a3c1d7e84a5a749ee397 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Made available in DSpace on 2020-03-17T13:15:48Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Paulo_Thiago_de_Godoy_2020.pdf: 5662715 bytes, checksum: f216a0cfe0e0a3c1d7e84a5a749ee397 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2020-02-12 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A microgrid (MG) can operate either connected to the main grid or islanded. When the MG operates in islanded mode, the frequency control is performed through the primary and secondary control. Primary control is responsible for ensuring the stable operation of distributed generations. Secondary control is responsible for frequency and voltage adjustment. The secondary control can be achieved through centralized, distributed or decentralized strategies. The centralized control is the most applied strategy in MGs due to the facility of the control and coordination of the distributed generators. However, the reliability of centralized control strategies is influenced by the proper functioning of the controller and the communication channel. To avoid the reliability problems of the centralized control, this paper proposes a new unified secondary control strategy comprising of centralized and decentralized control, that can capable of maintaining the MG frequency regulation even during control or communication failures. A decentralized load shedding strategy is implemented to assist MR generation and load control. To verify the proposed secondary control, the European low voltage distribution network benchmark MG is implemented in Matlab/Simulink. For the simulations, three scenarios are tested: MG central controller failure, total and partial communication system failures. The experimental results have shown that the proposed secondary control can guarantee the frequency regulation, system stability and can avoid the load shedding even during failures. The proposed strategy proved capable to restore the system to normal control operation after the failures end. However, communication delays influence the response of the proposed strategy, which can cause minor disturbances when switching the operating mode. As Microrredes (MRs) podem operar conectadas ou ilhadas da rede principal. Quando a MR opera no modo ilhado, a frequência e a tensão são mantidas e reguladas através dos controles primário e secundário. O controle primário é responsável por manter a estabilidade dos geradores distribuídos. O controle secundário é responsável por regular a frequência e a tensão da MR nos valores nominais, podendo ser realizado através de estratégias centralizadas, distribuídas ou descentralizadas. As estratégias de controle centralizado são as mais aplicadas em MRs, devido a facilidade de controle e coordenação com os recursos energéticos distribuídos. Contudo, a confiabilidade das estratégias de controle centralizado são influenciadas pelo funcionamento adequado do controlador e do canal de comunicação. De forma a contornar os problemas de confiabilidade do controle centralizado para regulação de frequência, este trabalho propõe uma nova estratégia de controle secundário unificado, composta por ambas as estratégias de controle centralizado e descentralizado, a qual é capaz de manter a regulação de frequência da MR mesmo após falhas de comunicação ou de controle. Ademais, um esquema de alívio de carga descentralizado é implementado para auxiliar o controle de geração e carga da MR. Um método de ajuste dos ganhos do controle secundário é proposto, o qual considera as características da MR, do esquema de alívio de carga e dos canais de comunicação. Para testar a estratégia proposta, a MR CIGRE Benchmark Europeia de baixa tensão é implementada em Matlab/Simulink. São considerados três cenários para as simulações: falha no controlador central, falha total e parcial do canal de comunicação. Os resultados mostraram que a estratégia proposta garante a regulação de frequência, estabilidade do sistema e evita ações desnecessárias do esquema de alívio de carga, até mesmo durante falhas. A estratégia proposta também se mostrou capaz de retornar para o controle normal de operação após o fim da falha. Entretanto, os atrasos de comunicação influenciam na resposta da estratégia proposta, podendo ocasionar pequenas perturbações nas trocas de modos de operação.

PEREIRA, L. S. Gerenciamento e controle da operação de microrredes: Um estudo de caso. 2020. 95 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Computação) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação - Campus de Sobral, Universidade Federal do Ceará, Sobral, 2020. This work presents the management and operation control of a three phase microgrid based on Voltage Source Converters (VSC), DC/DC converters, battery banks, intermittent generation and non linear loads. The microgrid control is developed with the main guidelines: A voltage Sou rce Converter (VSC1 slave) and a battery energy storage system connected to a common DC bus are used to simultaneously mitigate current harmonics and compensate the oscillating active power of the Intermittent Generation Source (IGS), improving the power q uality. A second Voltage Source Converter (VSC2 master) and battery energy storage system are used to control the amplitude and frequency of the microgrid voltage in island mode. In this way, the versatility of operating modes is increased and the microgri d can operate in island or connected mode, under conditions of generated power greater than the consumed power, or in the opposite way, with consumed power greater than the generated power. The modeling and control strategies of all voltage source converte rs and energy storage systems are presented and discussed and finally validated through the presentation of computer simulation results. Este trabalho apresenta o gerenciamento e controle da operação de uma microrrede trifásica baseada em conversores fonte de tensão, conversores CC/CC, baterias, geração intermitente e cargas não lineares. O controle da microrrede é desenvolvido com as seguintes diretrizes: Um conversor fonte de tensão escravo e um sistema de armazenamento de energia a baterias conectados a um barramento CC comum são utilizados para mitigar simultaneamente harmônicos de corrente e compensar a potência ativa oscilante da fonte de geração intermitente, melhorando a qualidade da energia. Um segundo conversor fonte de tensão mestre e sistema de armazenamento de energia a baterias são utilizados para regular o módulo e frequência da tensão da microrrede em modo ilhado. Desta forma a versatilidade de modos de operação é incrementada e a microrrede pode operar em modo ilhado ou conectado à rede elétrica, em condições de potência gerada maior que a consumida ou potência de carga seja maior que a potência gerada. A modelagem e estratégias de controle de todos os conversores fonte de tensão e sistemas de armazenamento de energia são apresentadas e discutidas e por fim validadas através de simulações computacionais.

Orientadora: Profa. Dra. Ahda Pionkoski Grilo Pavani Coorientador: Prof. Dr. Vinicius Prado Suppioni Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Energia, Santo André, 2020. A operação como microrrede tem atraído a atenção de pesquisadores, empresas e até setores do governo. A vantagem de uma microrrede é a possibilidade de operar com ou sem o suporte de uma rede de distribuição mais robusta; dar mais espaço para utilização de conceitos de smart grids; incentivar o uso de fontes energéticas renováveis distribuídas e criar novas estruturas de mercado de comercialização de energia elétrica. Em condições de ilhamento, os geradores e sistemas de armazenamento de energia devem continuar dando suporte de tensão e frequência para a microrrede, a fim de garantir que os requisitos mínimos de qualidade de energia sejam devidamente respeitados. No entanto, neste modo de operação, a rede está susceptível a elevados valores de desequilíbrio, uma vez que opera com baixo nível de curto-circuito. Neste contexto, o controle da geração distribuída conectada via conversores pode ser utilizado para compensar parcial ou totalmente os desequilíbrios da microrrede. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo propor uma metodologia de compensação de desequilíbrios em microrredes operando no modo ilhado utilizando os conversores de potência de uma turbina eólica, empregando gerador de indução duplamente alimentado. A validação da metodologia de compensação é realizada por simulações computacionais, utilizando o software Simulink do MatLab e uma microrrede bechmark bastante utilizada para validação de metologias aplicadas a microrredes. Microgrid has attracted the attention of researchers, companies and even government sectors. The advantage of a microgrid is the possibility of operating with or without the support of a more robust distribution, giving more space for the use of smart grid concepts; encourage the use of distributed renewable energy sources and, create new eletrical energy comercialization market structures. In islanded conditions, generators and energy storage systems must continue to provide voltage and frequency support for the microgrid, in order to ensure that the minimum power quality requirements are properly respected. However, in this mode of operation, the network is susceptible to high unbalance values, since it operates with a low level of short circuit. In this context, the control of distributed generation connected via converters can be used to partially or totally compensate for the unbalances of the microgrid. This work aims to propose a methodology to compensate for imbalances in microgrids operating in island mode using the power converters of a wind turbine, using a double fed induction generator. The validation of the compensation methodology is performed by computer simulations, using MatLab's Simulink software and a bechmark microgrid.

[ES] La microrred como elemento agregador de fuentes de generación, cargas y sistemas de almacenamiento de energía aparece como tecnología clave para dotar a los sistemas eléctricos de suficiente flexibilidad para una transición energética basada en fuentes renovables. Sin embargo, el problema de control para la gestión de energía se vuelve complejo cuando se incrementa el número de sistemas conectados a una misma microrred. De igual forma, se requiere flexibilidad para integrar a los vehículos eléctricos. La interacción entre las distintas microrredes y los vehículos hacen necesarias herramientas avanzadas de control para resolver el problema de optimización. El objeto del presente trabajo es presentar distintas herramientas de control predictivo basado en el modelo (Model Predictive Control, MPC) para resolver el problema de control asociado a este tipo de sistemas. En concreto, se abordan dos problemas: la conexión de vehículos eléctricos a la microrred y la interconexión de varias microrredes. Para el primer caso se analizan dos escenarios, según que el intercambio de energía sea uni o bidireccional y se presenta la forma de optimizar la operación usando MPC. En el segundo caso se aborda el problema usando técnicas de control distribuido., [EN] Microgrids, as aggregators of sources, loads and energy storage systems, appear as key technology to provide the required flexibility to electric power systems to carry out an energy transition based on renewable sources. Nevertheless, the control problem becomes complex when the number of connected components to the same microgrid increases. Also, the system requires flexibility to integrate electric vehicles. The complexity given by the associated control problem to optimize the energy exchange between microgrids and the electric vehicles makes necessary the development of advanced control tools. In this work, dierent Model Predictive Control (MPC) strategies are introduced in order to face the challenge of the control problem formulation of this kind of systems. Specifically, two problems are addressed: the connection of electric vehicles to the microgrid and the interconnection of several microgrids. For the first case, two scenarios are analyzed, depending on whether the energy exchange is uni or bidirectional, the way to optimize the operation using MPC is presented and examples of use are shown. For the second case, the problem isaddressed using distributed control techniques., Este trabajo ha sido realizado parcialmente gracias al apoyo del Ministerio de Econom´ıa, Industria y Competitividad de Espana mediante el proyecto CONFIGURA (DPI2016-78338-R) y por la Comision Europea, en el proyecto AGERAR (0076- ´ AGERAR-6-E), dentro del programa Interreg Spain-Portugal (POCTEP).

En las últimas décadas las microrredes están prosperando favorecidas por la penetración de las energías renovables en el ámbito particular. Las microrredes en DC tienen ciertas ventajas sobre las microrredes AC en la integración de DER en DC, por lo que nuevas configuraciones están siendo estudiadas. El proyecto Helios Sharing de la Universidad de Alcalá (UAH) busca convertir BTSs en DERs basadas en fuentes renovables, convirtiéndolas así en microrredes en DC. A razón de este proyecto se comenzó a construir un prototipo de microrred en la Escuela Politécnica de la UAH, con una instalación fotovoltaica de 3kW. Este Trabajo de Fin de Máster forma parte del proyecto Helios Sharing y presenta la implementación hardware y software del controlador de la microrred, implementando con una Raspberry Pi 4 un sistema de gestión de energía (EMS) y un Servidor del estándar IEC61850, concretamente el IEC61850-7-420 dedicado a la comunicación en microrredes. Además se desarrolla una estación meteorológica conectada a una nube IoT y un HMI para la visualización de todos los parámetros de la microrred y su control manual. El conjunto de la microrred y el sistema de control es validado a través de pruebas reales durante días consecutivos y en distintas condiciones ambientales., In the last frew decades microgrids are prospering due to penetration of renewable energies in the home sector. DC microgrids have some benefits over AC microgrids integrating DC DERs, therefore new configurations are under study. The Helios Sharing project of the University of Alcalá (UAH) aims to convert BTSs into DERs based on renewable resources, converting them into DC microgrids. Consequently,the construction of a microgrid prototype started at the Polytechnic School of the UAH, with a 3kW photovoltaic system. The present Master’s Thesis is part of the Helios Sharing project and presents the hardware and software implementation of the microgrid controller, implementing (with a Raspberry Pi 4) an energy management system (EMS) and a IEC61850 Server, specifically the IEC61850-7-420 which focuses on microgrid communications. In addition, this Thesis developes a weather station connected to an IoT cloud, and a HMI to display all microgrid’s parameters and to manuyally control it. The whole microgrid and control system is validated through real tests along consecutive days and with different environmental conditions., Máster Universitario en Ingeniería Electrónica

[ES] Los sistemas de potencia y energía están cambiando su paradigma tradicional, de sistemas centralizados a sistemas descentralizados. La aparición de redes inteligentes permite la integración de recursos energéticos descentralizados y promueve la gestión inclusiva que involucra a los usuarios finales, impulsada por la gestión del lado de la demanda, la energía transactiva y la respuesta a la demanda. Garantizar la escalabilidad y la estabilidad del servicio proporcionado por la red, en este nuevo paradigma de redes inteligentes, es más difícil porque no hay una única sala de operaciones centralizada donde se tomen todas las decisiones. Para implementar con éxito redes inteligentes, es necesario combinar esfuerzos entre la ingeniería eléctrica y la ingeniería informática. La ingeniería eléctrica debe garantizar el correcto funcionamiento físico de las redes inteligentes y de sus componentes, estableciendo las bases para un adecuado monitoreo, control, gestión, y métodos de operación. La ingeniería informática desempeña un papel importante al proporcionar los modelos y herramientas computacionales adecuados para administrar y operar la red inteligente y sus partes constituyentes, representando adecuadamente a todos los diferentes actores involucrados. Estos modelos deben considerar los objetivos individuales y comunes de los actores que proporcionan las bases para garantizar interacciones competitivas y cooperativas capaces de satisfacer a los actores individuales, así como cumplir con los requisitos comunes con respecto a la sostenibilidad técnica, ambiental y económica del Sistema. La naturaleza distribuida de las redes inteligentes permite, incentiva y beneficia enormemente la participación activa de los usuarios finales, desde actores grandes hasta actores más pequeños, como los consumidores residenciales. Uno de los principales problemas en la planificación y operación de redes eléctricas es la variación de la demanda de energía, que a menudo se duplica más que durante las horas pico en comparación con la demanda fuera de pico. Tradicionalmente, esta variación dio como resultado la construcción de plantas de generación de energía y grandes inversiones en líneas de red y subestaciones. El uso masivo de fuentes de energía renovables implica mayor volatilidad en lo relativo a la generación, lo que hace que sea más difícil equilibrar el consumo y la generación. La participación de los actores de la red inteligente, habilitada por la energía transactiva y la respuesta a la demanda, puede proporcionar flexibilidad en desde el punto de vista de la demanda, facilitando la operación del sistema y haciendo frente a la creciente participación de las energías renovables. En el ámbito de las redes inteligentes, es posible construir y operar redes más pequeñas, llamadas microrredes. Esas son redes geográficamente limitadas con gestión y operación local. Pueden verse como áreas geográficas restringidas para las cuales la red eléctrica generalmente opera físicamente conectada a la red principal, pero también puede operar en modo isla, lo que proporciona independencia de la red principal. Esta investigación de doctorado, realizada bajo el Programa de Doctorado en Ingeniería Informática de la Universidad de Salamanca, aborda el estudio y el análisis de la gestión de microrredes, considerando la participación activa de los usuarios finales y la gestión energética de lascarga eléctrica y los recursos energéticos de los usuarios finales. En este trabajo de investigación se ha analizado el uso de conceptos de ingeniería informática, particularmente del campo de la inteligencia artificial, para apoyar la gestión de las microrredes, proponiendo un sistema de gestión inteligente de microrredes (μGIM) basado en un enfoque de múltiples agentes y en la participación activa de usuarios. Esta solución se compone de tres sistemas que combinan hardware y software: el emulador de virtual a realidad (V2R), el enchufe inteligente de conciencia ambiental de Internet de las cosas (EnAPlug), y la computadora de placa única para energía basada en el agente (S4E) para permitir la gestión del lado de la demanda y la energía transactiva. Estos sistemas fueron concebidos, desarrollados y probados para permitir la validación de metodologías de gestión de microrredes, es decir, para la participación de los usuarios finales y para la optimización inteligente de los recursos. Este documento presenta todos los principales modelos y resultados obtenidos durante esta investigación de doctorado, con respecto a análisis de vanguardia, concepción de sistemas, desarrollo de sistemas, resultados de experimentación y descubrimientos principales. Los sistemas se han evaluado en escenarios reales, desde laboratorios hasta sitios piloto. En total, se han publicado veinte artículos científicos, de los cuales nueve se han hecho en revistas especializadas. Esta investigación de doctorado realizó contribuciones a dos proyectos H2020 (DOMINOES y DREAM-GO), dos proyectos ITEA (M2MGrids y SPEAR), tres proyectos portugueses (SIMOCE, NetEffiCity y AVIGAE) y un proyecto con financiación en cascada H2020 (Eco-Rural -IoT).

En América Latina más de 100 millones de personas no tienen acceso a una energía limpia, asequible y constante. En Colombia, esto sucede en las denominadas Zonas No- Interconectadas - ZNI con una población de más de 2 millones de personas, que viven en regiones con abundantes y diversos recursos energéticos renovables. En este artículo se presenta una metodología para el diseño de microrredes en zonas aisladas, partiendo de la evaluación de recursos energéticos renovables locales. Una microrred es un sistema que usa varias fuentes y utiliza tecnologías de conversión de energías renovables en electricidad para proveer de electricidad zonas asiladas. Estas “microrredes” inteligentes consisten en un sistema energético que integra la generación, transmisión, distribución y uso final de la energía, de manera eficiente y amigable con el medio ambiente, y con un mínimo impacto socio-cultural, permitiendo el intercambio de información entre todos los componentes del sistema para un óptimo control. Por ello, es de suma importancia desarrollar un acertado análisis y evaluación de recursos energéticos, con el objetivo de optimizar al máximo el diseño de microrredes In Latin America, more than 100 million people do not have access to clean, affordable and constant energy. In Colombia, this happens in the so-called Non-Interconnected Zones - ZNI with a population of more than 2 million people, who live in regions with abundant and diverse renewable energy resources. This paper presents a methodology for the design of microgrids in isolated areas, based on the evaluation of local renewable energy resources. A microgrid is a system that uses several sources and uses renewable energy conversion technologies in electricity to provide electricity to isolated areas. These intelligent "microgrids" consist of an energy system that integrates the generation, transmission, distribution and final use of energy, in an efficient and friendly way with the environment, and with a minimum socio-cultural impact, allowing the exchange of information between All system components for optimal control. Therefore, it is very important to develop an accurate analysis and evaluation of energy resources, with the aim of maximizing the design of microgrids

Resumen La necesidad de proveer soluciones energéticas sostenibles para las zonas no interconectadas de Colombia, dependiendo de los recursos renovables disponibles en cada zona, supone un desafío respecto al análisis de viabilidad técnico-económica de las alternativas de solución a través de las microrredes. Este documento tiene como objetivo analizar el impacto técnico-económico de introducir celdas de combustible en la reducción de costos a lo largo del tiempo de vida de una microrred para zonas no interconectadas, empleando el software HOMER. Dicho impacto se evalúa tanto en el diseño técnico de la microrred como en el Valor Presente Neto y en el Costo nivelado de Energía ($/kWh). El análisis se realiza a partir de la cuantificación de la demanda de un poblado prototipo, el dimensionamiento y costo de las tecnologías que conforman la microrred para atender la demanda, y la disponibilidad de los recursos renovables solar y eólico de dos zonas localizadas en diferentes latitudes no interconectadas de Colombia. Adicionalmente, se analiza el efecto de introducir las celdas de combustible en el mix energético, resaltando las ventajas obtenidas al comparar cada caso frente a una generación tradicional basada en consumo de Diésel. Abstract The sustainable power solutions provided to non-interconnected zones should be based on the renewable energy resources available in each area. This presents a challenge for the techno-economic feasibility of alternative solutions through micro grids. The objective of this work is to analyze, using HOMER software, the techno-economic impact of introducing fuel cells on cost reduction during the lifetime of micro grids in non-interconnected zones. Such impact is evaluated in the technical design of the micro grid as Present Value and Levelized Cost of Electricity ($/kWh). The analysis considers the calculation of the demand of a generic village, the size and cost of the technologies that constitute the micro grid to satisfy the demand, and the availability of solar and wind power in two areas located at different latitudes in Colombia. In addition, the effect of introducing fuel cells into the energy mix was examined. Finally, the advantages were highlighted by comparing each case with traditional generation alternatives based on diesel consumption.

Este trabajo presenta un algoritmo de estimación de estado diseñado para sistemas de distribución. El algoritmo de estimación se utiliza para operar una generación distribuida en modo isla o conectada a una red de distribución. Las variables de estado estimadas se utilizan para controlar un generador diésel y también para predecir las pérdidas cuando la generación distribuida trabaja conectada a la red. El estimador de estado propuesto, se resolvió por el método de mínimos cuadrados ponderados y se utilizó la descomposición en valores singulares, las variables de estado son las corrientes complejas de las ramas. Para garantizar la observabilidad en el sistema de distribución se hizo un análisis de observabilidad numérica, utilizando medidas de potencia activa y reactiva y medidas del fasor complejo de corriente. Para el algoritmo se propone utilizar unidades de medición fasorial y pseudo medidas, ya que estas medidas pueden garantizar la observabilidad de un sistema y aumentar la redundancia en el conjunto de medidas. El algoritmo se probó en el sistema de distribución IEEE de 13 nodos, a este sistema se le adicionó una generación distribuida que alimenta una red externa. Entre los principales resultados, se encontró que: el algoritmo es estable, converge muy cerca de la solución, además permite hacer la re sincronización de la generación distribuida con la red de distribución. Esta última característica puede mejorar la capacidad de auto-restablecimiento de microrredes que utilicen generadores sincrónicos.

Submitted by Andre Gifalli (andre.gifalli@unesp.br) on 2019-12-16T14:55:59Z No. of bitstreams: 1 André_Gifalli_Dissertação.pdf: 5908061 bytes, checksum: 276d678256f78d058a02b102b35f84f1 (MD5) Approved for entry into archive by Lucilene Cordeiro da Silva Messias null (lubiblio@bauru.unesp.br) on 2019-12-16T19:02:38Z (GMT) No. of bitstreams: 1 gifalli_a_me_bauru.pdf: 5908061 bytes, checksum: 276d678256f78d058a02b102b35f84f1 (MD5) Made available in DSpace on 2019-12-16T19:02:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 gifalli_a_me_bauru.pdf: 5908061 bytes, checksum: 276d678256f78d058a02b102b35f84f1 (MD5) Previous issue date: 2019-11-04 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A crescente demanda por energia elétrica, combinada com questões ambientais e financeiras, vem promovendo a integração de unidades geradoras distribuídas nas redes de distribuição. Essa configuração topológica, construída próxima aos consumidores, consiste em um conceito chamado de microgrid, desenvolvido nos últimos anos. Esse modelo é caracterizado por um conjunto de pequenas unidades geradoras, cargas e dispositivos de armazenamento de energia, capazes de operar em modo paralelo ou isolado, em relação à rede existente. Vários estudos apontam que as microrredes influenciam o planejamento, operação e manutenção da rede de distribuição elétrica, principalmente porque as microrredes funcionam em um fluxo de energia bidirecional em vez do modo unidirecional convencional. Essa topologia de rede pode influenciar significativamente o perfil de tensão, estabilidade, qualidade de energia e comportamento de proteção do sistema elétrico. Em relação ao esquema de proteção, esses sistemas podem interferir na coordenação e seletividade dos equipamentos que constituem a rede. Nesse sentido, o objetivo desta dissertação é analisar o impacto da contribuição da corrente de curto-circuito das conexões de microrrede no sistema de proteção de sobrecorrente nas redes de distribuição convencionais. A análise é desenvolvida modelando uma rede de distribuição IEEE de 34 barras. O software OpenDss é usado em conjunto com um aplicativo Python desenvolvido para avaliar os impactos na coordenação e seletividade do equipamento de proteção contra sobrecorrente. Além disso, um estudo bibliométrico foi desenvolvido para analisar algumas soluções sugeridas. Os resultados mostraram que a filosofia de proteção, atualmente adotada para redes de distribuição, não é capaz de fornecer todas as respostas para os problemas relacionados à inserção de unidades de geração distribuída. O motivo é que a contribuição da corrente de curto-circuito interfere diretamente na coordenação entre os dispositivos de proteção já existentes. Até o momento, os regulamentos existentes afirmam que, no caso de um mal funcionamento do sistema, a unidade geradora distribuída deve ser imediatamente desconectada da rede. Assim, para uma implementação bem-sucedida de microrredes, novos esquemas de proteção devem ser desenvolvidos para manter as vantagens que as microrredes distribuídas trazem, sem efeitos colaterais The growing demand for electricity, combined with environmental and financial issues, fostered the integration of distributed generating units into distribution networks. This topological configuration, build up nearby the consumers, consist of a concept called microgrid, which has been developed in recent years. This model is characterized by a set of small generating units, loads and energy store devices, capable of operating in a parallel or isolated mode, concerning the existing network. Several studies point out that the microgrids influence the planning, operation, and maintenance of the electrical distribution network, mainly because of microgrids woks with a bidirectional power flow rather than the conventional unidirectional mode. This network topology can significantly influence the voltage profile, stability, power quality, and electrical system protection behavior. Regarding the protection scheme, these systems can interfere with the coordination and selectivity of the equipment that constitutes the network. In this sense, the purpose of this dissertation is to analyze the impact of the short circuit current contribution from the micro-network connections in the overcurrent protection system in the conventional distribution networks. The analysis is developed by modeling an IEEE 34-bar distribution network. The OpenDss software is used in conjunction with a developed Python application to assess the impacts on coordination and selectivity of the overcurrent protection equipment. Also, a bibliometric study was developed to analyze some suggested solutions. The results have shown that the protection philosophy, currently adopted for distribution networks, is not able to provide all the answers to the issues related to the insertion of distributed generation units. The reason is that the contribution of short circuit current interferes directly with the coordination among the already existing protection devices. So far, the existing regulations state that, in the event of a system malfunction, the distributed generator unit must be immediately disconnected from the grid. Thus, for successful deployment of micro-networks, new protection schemes must be developed to maintain the advantages that distributed micro-networks bring without side effects 88882.432797/2019-01

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico The increase in the application of electric microgenerators, mainly from renewable primary sources, such as wind and photovoltaic, has motivated the study of several issues related to the operation of these systems. Both in the context of connection to the grid and in its isolated operation, these microgenerators, which use power electronic converters as element of connection between primary source and grid, still present technological challenges, ranging from the converter topology to the implemented control techniques. Many control levels are presented in literature. The algorithm responsible for controlling the active and reactive power flow between converter and grid is called primary control. Among the most widespread primary control techniques are droop control, Virtual Synchronous Generator - VISMA, Virtual Synchronous Generator - VSG and synchronverter. The first is undoubtedly the simplest and most used, while the others have inherited advantages of the synchronous machine, such as virtual inertia and friction coefficient. The main difference between the VISMA, the VSG and the synchronverter techniques is that the VISMA is applied to current-controlled converters, while VSG and synchronverter operate as voltage-controlled converters. In this work, a literature review is carried out on the operation modes of converters in distributed generation and microgrids, hierarchical control levels, distributed generation requirements and primary control techniques. Then the focus turns specifically to a unified analysis of the operation of the synchronverter, the VSG and the droop-controlled converters by means of a small-signal model. In this step, we reached a high accuracy small-signal model when compared to the dynamic model. The comparison between the techniques was possible through the equivalence of gains, developed also in this work. Simulation and experimental results have shown that for a consid- erable range of gains, droop controlled converters and synchronverters have similar dynamic response, but the synchronverter allows a more extensive range of gains in the stable region. Continuing the search for contributions to the converters that emulate the synchronous machine, this dissertation ad- dresses the resilience of the synchronverter to unbalanced sags and unbalanced grid voltages, presenting a proposal named positive-negative sequence synchronverter with enhanced fault ride-through capabil- ity for AC grids. Inspired by the Fortescue theorem, the technique allows to limit the output currents of the converter, to reduce power oscillations and to avoid unexpected converter shutdowns when sub- jected to unbalanced sags and voltage unbalance. The power flow control of single-phase converters emulating synchronous machine is also explored in this work. The proposal is an adaptation of the existing synchronverter, initially designed for three-phase applications. Simulation results illustrate the performance of the proposed technique in the grid-connected mode, including voltage sags conditions and harmonic distortions, in addition to the isolated mode. O crescente número de unidades microgeradoras de energia elétrica, sobretudo a partir de fontes primárias renováveis, tais como eólica e fotovoltaica, motivou o estudo de diversas questões relacionadas ao funcionamento destes sistemas. Tanto no contexto de conexão com a rede principal quanto em sua operação ilhada, estes microgeradores, que utilizam conversores eletrônicos de potência como elemento de conexão entre fonte primária e rede, ainda apresentam desafios tecnológicos que vão da topologia do conversor às técnicas de controle implementadas. Diversos níveis de controle são apresentados na literatura. Denomina-se controle primário o algoritmo responsável por controlar o fluxo de potências ativa e reativa entre conversor e rede. Dentre as técnicas mais difundidas de controle primário estão o controle por droop, o Virtual Synchronous Machine - VISMA, o Virtual Synchronous Generator - VSG e o synchronverter. O primeiro é sem dúvida o mais simples e mais utilizado, enquanto que os demais apresentam vantagens derivadas da máquina síncrona, tais como inércia virtual e coeficiente de fricção. A principal diferença entre o VISMA, o VSG e o synchronverter é que o primeiro se aplica a conversores controlados em corrente, ao passo que VSG e synchronverter operam como conversores fontes de tensão. Neste trabalho é realizada uma revisão bibliográfica sobre os modos de operação de conversores em geração distribuída e microrredes, os níveis hierárquicos de controle, os requisitos de geração distribuída e as técnicas de controle primário. Em seguida, o foco volta-se especificamente para uma análise unificada do synchronverter, do VSG e dos conversores controlados por droop por meio de um modelo de pequenos sinais. Nesta etapa chegou-se a um modelo de alta acurácia quando comparado com o modelo dinâmico. A comparação entre as técnicas foi possível através da equivalência de ganhos, desenvolvida também neste trabalho. Os resultados de simulação e experimentais mostraram que para uma considerável faixa de ganhos, os conversores estudados apresentam resposta dinâmica similar, porém o synchronverter permite uma faixa mais extensa de ganhos na região estável. Continuando a busca por contribuições aos conversores que emulam a máquina síncrona, a tese aborda o problema da resiliência do synchronverter trifásico frente a afundamentos desequilibrados e desequilíbrio de tensão na rede elétrica, apresentando uma proposta denominada positive-negative sequence synchronverter with enhanced fault ride-through capability for AC grid (um synchronverter de sequência positiva e negativa com resiliência aumentada frente a desequilíbrio de tensão). Inspirada no teorema de Fortescue, a técnica permite limitar a corrente de saída do conversor, reduzir oscilações nas potências e evitar desligamento inesperado do conversor quando submetido a afundamentos desequilibrados e desequilíbrio de tensão. O controle de fluxo de potência para conversores monofásicos emulando a máquina síncrona também é explorado no trabalho. A proposta é uma adaptação do já existente synchronverter, concebido inicialmente para aplicações trifásicas. Resultados de simulação ilustram o desempenho da técnica proposta no modo conectado à rede, incluindo condições de afundamento de tensão e distorções harmônicas, além do modo isolado.

[ES] Las microrredes inteligentes se presentan como una solución para integrar las energías renovables así como para mejorar la eficiencia de la red por medio de la incorporación de las Tecnologías de Información y Comunicación (TIC). Sin embargo, la alta penetración de los recursos energéticos distribuidos (RED) en las microrredes, requiere una serie de cambios técnicos en los sistemas de comunicación caracterizados tradicionalmente por esquemas centralizados, donde un controlador central se comunica con todos los recursos energéticos distribuidos y toma decisiones, hacia esquemas descentralizados donde cada recurso energético distribuido tiene capacidad de comunicación y decisión de forma local. En este sentido, el objetivo global de las estrategias de comunicación descentralizadas es dotar al sistema energético de una mayor escalabilidad, fiabilidad, robustez, y flexibilidad que la que presentan los sistemas centralizados. Además, las microrredes con esquemas descentralizados presentan una gran oportunidad para el advenimiento del futuro Internet de la Energía o Internet of Energy (IoE), ya que cada recurso energético distribuido desplegado en la microrred es susceptible de conectarse a la nube y enviar y recibir datos desde hacia la red en tiempo real, en cualquier momento y lugar. Uno de los puntos críticos derivados de la incorporación de las TIC en las microrredes de gestión distribuida es garantizar la conectividad entre los recursos energéticos al tiempo que se satisfacen los requisitos técnicos de estos sistemas energéticos. Los distintos estándares y normas establecidas para el despliegue de microrredes destacan la necesidad de cumplir con algunos parámetros de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) como ancho de banda, latencias, throughput (rendimiento), entre otros, ya que un ancho de banda bajo puede dar lugar a cuellos de botella, pérdida de paquetes de datos y distorsión. Por otra parte, si la comunicación no presenta una tasa positiva de promedio de éxito o sufre retardos y/o supera el tiempo requerido, la información no cumple su cometido y, en el peor de los casos, daños eléctricos se pueden producir en la microrred. En la presente tesis se presenta el diseño, desarrollo e implementación de infraestructuras de comunicación distribuidas para la gestión, monitorización y control de microrredes que permitan administrar la potencia y energía eficientemente mediante comunicaciones síncronas y asíncronas. Además, este estudio describe las principales características de la Internet de la Energía, los principios en los que se basa, los elementos y tecnologías disponibles para lograr la comunicación entre los recursos distribuidos desplegados en la microrred y establece las principales diferencias de IoE con respecto a los sistemas tradicionales de monitoreo y gestión. Con toda esta información, se describe una propuesta de arquitectura de la Internet de la Energía aplicada a las microrredes y un prototipo de monitoreo y gestión. Se han realizado ensayos experimentales para validar los estudios y propuestas realizadas. Para ello se ha desplegado una red Ethernet en la microrred experimental del Grupo de Sistemas Electrónicos Industriales (GSEI) y se ha dotado a cada recurso energético distribuido de capacidades de comunicación e inteligencia a través del acoplamiento de sistemas de placa única BeagleBone Black donde poder instaurar el software desarrollado. Los resultados han evidenciado que las arquitecturas de comunicación distribuida propuestas permiten comunicaciones robustas, eficientes, escalables y flexibles en el ámbito de las microrredes a la vez que se cumplen con los requerimientos técnicos demandados por éstas., [CA] Les micro-xarxes intel·ligents es presenten com una solució per integrar energies renovables així com per millorar l'eficiència de la xarxa mitjançant la incorporació de les Tecnologies de la Informació i la Comunicació (TIC). No obstant, l'alta penetració del recursos energètics distribuïts (RED) en les micro-xarxes requereix d'una sèrie de canvis tècnics en els sistemes de comunicació caracteritzats tradicionalment per esquemes centralitzats, el quals un controlador central es comunica amb tots el recursos energètics distribuïts i pren decisions, cap a esquemes descentralitzats on cada recurs energètic distribuït té capacitats de comunicació i decisió localment. En aquest sentit, l'objectiu global de les estratègies de comunicació descentralitzades es dotar al sistema energètic de major escalabilitat, fiabilitat, robustesa i flexibilitat que els que presenten els sistemes centralitzats. A més, les micro-xarxes amb esquemes descentralitzats presenten una gran oportunitat per l'adveniment de la futura internet de la energia, ja que cada recurs energètic distribuït desplegat en la micro-xarxa es susceptible de connectar-se al núvol i enviar i rebre dades cap a la xarxa en temps real, en qualsevol lloc i moment. Un dels punts crítics derivats de la incorporació de les TIC en les micro-xarxes de gestió distribuïda es garantir la connectivitat entre el recursos energètics distribuïts al temps que es satisfacen els requeriments tècnics de aquests sistemes energètics. Els diferents estàndards i normes establides per al desplegament de micro-xarxes destaquen la necessitat de complir amb alguns paràmetres de qualitat de servici com amplada de banda, latències i rendiment, entre d'altres, ja que una amplada de banda baixa resulta colls d'ampolla, pèrdues de paquets i distorsió. D'una altra banda, si la comunicació no presenta una taxa positiva de mitjana de èxit o sofreix retards o supera el temps requerit, la informació no acompleix la seua comesa i en el pitjor dels casos, danys elèctrics poden ocórrer en la micro-xarxa. En la present tesi se presenta el disseny, desenvolupament i implementació d'infraestructures de comunicació distribuïdes per la gestió, monitorització i control de micro-xarxes que permeten administrar la potencia i energia eficientment mitjançant comunicacions síncrones i asíncrones. A més, aquest estudi es descriu les principals característiques de la internet de la energia, els principis en els quals es basa, elements i tecnologies disponibles per acomplir la comunicació entre els recursos energètics distribuïts desplegats en la micro-xarxa i estableix les principals diferencies de la internet de la energia respecte del sistemes tradicionals de monitorització i gestió. Amb aquesta informació, es descriu una proposta d'arquitectura de la internet de la energia aplicada a les micro-xarxes. S'han realitzat assajos experimentals per validar els estudis i les propostes realitzades. Per a això, s'ha desplegat una xarxa d' ethernet en la micro-xarxa experimental del grup de sistemes industrials i s'ha dotat a cada recurs energètic distribuït de capacitats de comunicació i intel·ligència mitjançant l'acoblament de sistemes de placa única BeagleBone Black on s'ha instaurat el software desenvolupat. Els resultats han evidenciat que les arquitectures de comunicació distribuïdes proposades permeten comunicacions robustes, escalables i flexibles en l'àmbit de les micro-xarxes al temps que es acompleixen els requeriments tècnics demandats per estes., [EN] Smart microgrids are presented as a solution to integrate renewable energies as well as to improve the efficiency of the network through the incorporation of Information and Communication Technologies (ICT). However, the high penetration of distributed energy resources (DER) in microgrids requires several technical improvements on communication systems that are traditionally characterized by centralized schemes, where a central controller communicates with all distributed energy resources and makes decisions, towards decentralized schemes where each distributed energy resource has communication and decision capacities locally. The main objective of decentralized communication strategies is provide to the energy system with better scalability, reliability, robustness, and flexibility that centralized systems do. Moreover, microgrids with decentralized schemes represent a great opportunity for the future Internet of Energy (IoE) due to each distributed energy resource could connect to the cloud and send and receive data in real time anywhere and anytime. One of the major issues about the ICT integration on microgrids is to guarantee the connectivity among DERs at the same time that technical requirements are met. Different microgrid standards give specifications for these requirements and highlight the need to accomplish with quality of service parameters like bandwidth, delays, throughput, among others. The communication infrastructure in the microgrid must satisfy these timing requirements, because a low bandwidth can lead to bottlenecks, loss of data packets and distortion. Besides, if the communication delay exceeds the required time, the information does not fulfill its purpose and, in the worst case, electric damage in the microgrid could happen. In this Ph.D. thesis the design, development and implementation of synchronous and asynchronous distributed communications infrastructures for the efficient microgrid monitoring and control are studied. In addition this study describe the main IoE characteristics, its foundation principles, available elements and technologies deployed into microgrid and the main differences between IoE and tradition systems are provided. Regarding these information, a proposal of architecture of the Internet of energy applied to the microgrid is described. Experimental tests have been carried out in order to validate the theoretical studies and proposals presented in this thesis. It has been deployed an Ethernet network in the experimental GSEI microgrid. In addition, communications and intelligent capacities have been added to each distributed energy resource through the BeagleBone Black single board computers where the developed software has been deployed. The results showed that the proposed distributed communications architectures allow robust, efficient, scalable and flexible communications in the microgrids field at the same time that quality of service requirements are accomplished.

Microgrids (MGs) have gathered significant attention over the last decade due to their potential to integrate Renewable Energies (RE) into power systems, in a reliable and efficient way, and their ability to provide sustainable energy supply solutions for remote areas without a connection to the main grid. Microgrids used for the latter application are known as isolated MGs since they are permanently operating in stand-alone mode. Isolated MGs have specific technical features such as low inertia and a critical demand-supply balance constraint, which hinder their operation, especially in cases with high penetration of intermittent and fluctuating RE. Moreover, it is expected that Combined Heat and Power Systems (CHP) will play an important role in MGs since these systems can considerably improve the overall system efficiency. CHP systems introduce additional technical challenges mainly related to the heat-power dependency of CHP and the thermal and power demand uncertainty. Thus, in order to guarantee a reliable and economic operation of isolated MGs integrating CHP units, it is important to design adequate strategies and methods for their different control levels. In these microgrids, the Energy Management System (EMS) has the main function of optimizing their operation through the solution of optimization problems such as Unit Commitment (UC), economic dispatch and/or optimal power flow. Hence, this thesis seeks to address the aforementioned challenges by proposing a novel energy management system (EMS) approaches for isolated MGs with CHP units and high penetration of RE. First, an EMS algorithm is proposed, based on an Affine Arithmetic-based Unit Commitment (AAUC) problem for day-ahead dispatch, using uncertainty intervals of both load and RE to provide robust commitment and dispatch solutions in AA form, which are feasible for all the possible realizations within the predetermined uncertainty bounds. A real-time dispatch solution is then found by the proposed algorithm, which computes the noise symbols values of the affine forms obtained by the AAUC, based on the current and actual load, the RE power levels and the available reserves. If the actual forecast error is outside the uncertainty bounds considered in the AAUC solution process, leading to possible load and/or RE curtailment, the AAUC is recalculated with updated forecast information. The proposed AA-based EMS is tested on a modified CIGRE microgrid benchmark and is compared against day-ahead deterministic, Model Predictive Control (MPC), stochastic optimization, and stochastic-MPC approaches. The simulation results show that the proposed EMS provides robust and adequate cost-effective solutions, without the need of frequent re-calculations as with MPC-based approaches, or assumptions regarding statistical characteristics of the uncertainties as in the case of stochastic optimization. Finally, a novel approach for the optimal economic dispatch of CHP MGs is proposed, which incorporates an Affine Arithmetic-based Economic Dispatch (AAED) problem into an MPC framework. The proposed algorithm solves each ∆t minutes (e.g. 15m) an AAED problem with time steps of ∆t minutes over a time horizon T (e.g. 24h). It uses the available forecast and the current state of the system, to provide the schedule and the affine forms that represent the operation intervals of the generators and Energy Storage Systems (ESS) for the next time interval [t, t + ∆t]. Online set points for generators and ESS are then obtained by computing the noise symbols values of the affine forms, based on the most updated information of electricity and heat demands and available renewable energy power. A theoretical CHP-based MG, comprising PVs, a gas boiler, a CHP unit, a battery, and a thermal tank, is used to assess the performance of the AA-MPC approach in both connected and isolated operation modes. The method is also compared with a deterministic MPC approach. Results show the ability of the method to better address forecasting errors, resulting in more cost-effective solutions, without considerably affecting the computation performance. Resumen: El concepto de microrredes ha ganado importancia en los ´ultimos a˜nos debido a que facilita la integraci´on de energ´ıas renovables a los sistemas de potencia de forma confiable y eficiente y a que provee soluciones sostenibles de suministro de energ´ıa para ´areas remotas sin conexi´on a la red el´ectrica principal. Las microrredes utilizadas en dichas ´areas remotas se conocen como microrredes aisladas, pues funcionan permanentemente en modo aut´onomo. Estas microrredes tienen caracter´ısticas t´ecnicas espec´ıficas tales como baja inercia y restricci´on cr´ıtica de balance entre generaci´on y demanda, que dificultan su adecuada operaci´on, especialmente en casos con alta penetraci´on de energ´ıas renovables de car´acter fluctuante e intermitente. Adicionalmente, se espera que los sistemas de cogeneraci´on (CHP por sus siglas en ingl´es) jueguen un papel importante en las microrredes, pues dichos sistemas pueden mejorar considerablemente la eficiencia global del sistema. Sin embargo, los CHP introducen desaf´ıos t´ecnicos adicionales relacionados principalmente con la relaci´on que existe entre la generaci´on de electricidad y la generaci´on de calor, as´ı como la incertidumbre asociada a la demanda t´ermica. Por lo tanto, para garantizar un funcionamiento confiable y econ´omico de las microrredes aisladas con CHP, es importante dise˜nar estrategias y m´etodos adecuados para sus diferentes niveles de control. En estas microrredes, el sistema de gesti´on de la energ´ıa (EMS por sus siglas en ingl´es) tiene la funci´on principal de optimizar la operaci´on a trav´es de la soluci´on de problemas de optimizaci´on tales como el problema de compromiso de unidades (UC por sus siglas en ingl´es), el despacho econ´omico y/o el flujo de potencia ´optimo. Por lo tanto, esta tesis busca abordar los desaf´ıos mencionados, proponiendo enfoques novedosos de EMS para microrredes aisladas con sistemas de cogeneraci´on y alta penetraci´on de renovables. En primer lugar, se propone un algoritmo de EMS que integra una formulaci´on del problema de UC en donde la incertidumbre asociada a la generaci´on con renovables y a la demanda es modelada por medio de la t´ecnica matem´atica conocida como “Affine Arithmetic (AA)”. Al resolver dicho problema, nombrado aqu´ı AAUC, se obtienen soluciones robustas de despacho en el dominio de la AA, las cuales son factibles para todos los posibles escenarios dentro de los l´ımites de incertidumbre considerados. Posteriormente, haciendo uso de la informaci´on m´as reciente de demanda, potencia generada con renovables y reservas disponibles y de las predicciones de dichas variables, se calculan los valores de los “noise symbols” de las “affine forms” obtenidas en el AAUC, obteniendo as´ı soluciones de despacho en tiempo real. Si el error de predicci´on est´a fuera de los l´ımites considerados en el proceso de soluci´on del AAUC, lo que conlleva a un deslastre de carga o de generaci´on con renovables, el AAUC se recalcula con un pron´ostico actualizado. El EMS propuesto es probado en un modelo de microrred propuesto por el CIGRE y se compara con otros m´etodos disponibles en la literatura, tales como el control predictivo por modelo (MPC por sus siglas en ingl´es), la optimizaci´on estoc´astica y el m´etodo combinado estoc´astico-MPC. Los resultados de la simulaci´on muestran que el EMS propuesto ofrece soluciones de operaci´on econ´omicas y confiables, sin la necesidad de efectuar c´alculos recurrentes con un costo computacional asociado o de hacer suposiciones con respecto a las caracter´ısticas estad´ısticas de las incertidumbres, como en el caso de los enfoques basados en MPC u optimizaci´on estoc´astica. Finalmente, se presenta un nuevo enfoque para el despacho econ´omico ´optimo de CHP microrredes, el cual incorpora dentro de un esquema de MPC un problema de despacho econ´omico basado en AA, denominado AAED. El algoritmo propuesto resuelve cada ∆t minutos (ej. 15 m) un problema AAED para un horizonte de tiempo T (ej. 24 h) dividido en pasos de tiempo de ∆t minutos. Utilizando el pron´ostico disponible y el estado actual del sistema, la soluci´on de dicho problema proporciona el compromiso de unidades y las “affine forms” que representan los intervalos de operaci´on de los generadores y de los sistemas de almacenamiento de energ´ıa para el siguiente intervalo de tiempo [t, t + ∆t]. Posteriormente, con base en la informaci´on m´as actualizada disponible de demanda de electricidad y de calor y de la energ´ıa generada con renovables, se calculan los valores de los “noise symbols” de las “affine forms” con el fin de obtener las referencias de potencia en tiempo real para los controles locales de los generadores y sistemas de almacenamiento. Para validar y comparar el m´etodo propuesto, se utiliza una microrred te´orica que comprende paneles fotovoltaicos, una caldera a gas, una unidad de CHP, una bater´ıa y un tanque t´ermico. El m´etodo se compara con el enfoque determinista de MPC en los dos modos de operaci´on de la microrred: conectada y aislada. Los resultados muestran la capacidad del m´etodo propuesta para enfrentar m´as apropiadamente los errores de pron´ostico, lo que resulta en soluciones de operaci´on m´as econ´omicas, sin afectar de forma considerable el rendimiento de computo. Doctorado

En este proyecto se revisa la problemática generada en los sistemas de protección de una microrred (MR), debido a que el comportamiento de los atributos eléctricos, corriente y tensión, varían con respecto a la condición de operación de la microrred. Es por esto que los sistemas de protección convencionales no funcionan correctamente en las MR, y en consecuencia, deberán proponerse nuevos sistemas de protección. Una propuesta es un sistema de protección adaptativo que se ajuste a los cambios en la microrred, para protegerla según sea la condición de operación. Estos sistemas de protección necesitan un set de datos que contengan todas las condiciones de operación de la microrred y los atributos eléctricos para poder realizar el ajuste. El proyecto se desarrolló durante el periodo semestral 2019-1, en donde se realizó una herramienta computacional para la generación automática de base de datos de atributos eléctricos de microrredes. Para ello, en primer lugar, se definió una serie de factores donde van a estar enmarcadas las condiciones de operación de la MR, como son: generación, demanda, cambio de topología y falla. A cada uno de estos factores se les definió unos métodos de variación según sus propiedades. La simulación de los eventos concernientes al sistema de potencia decidió ser llevada a cabo en Digsilent PowerFactory 15.1, y para realizar el algoritmo que genere los escenarios de simulación automáticamente se implementó Python. In this project it is revised the general problem generated in microgrid (MR) protection system, since the electric attributes behavior, current and voltage, vary with respect to the operating condition of the MR. This is the reason why the conventional protection systems do not work properly in the MR and consequently it must be proposed new protection systems. One of the posible proposals is an adaptive protection system that can adjust to the MR changes in order to protect it depending on the operation condition. These protection systems need a data set that contains all the MR operation conditions and their electric attributes in order to make the adjustment. The project was developed during the 2019-I period, where it was produced a software tool for the automatic generation of MR electrical attributes databases. First, it was defined a series of factors where MR operation conditions will be embedded, such as generation, demand, topology and faults. For each of these factors it was defined some variation methods according to their properties. It was decided that the simulation of the events relating to the power system will be carried out in Digsilent PowerFactory 15.1 and the algorithm that generate automatically the simulation scenarios will be implemented in Python.

The present work developed a methodology that was applied in a study that had as a starting point the peak shaving of an electrical installation, aiming at the reduction of costs with the energy bill. To achieve this, the emergency and stand-by power generation systems were used, that has as main source the Diesel Generating Sets (gensets). The main focus was on the technical aspects that surround the parallelism of these machines with the electric power distribution network and also on the formation of microgrids in three moments of operation, parallel to the distribution network, isolated operation and parallelism between microgrids. After the development of the methodology, a real network of energy distribution was chosen for its application. The distribution system was modeled, as well as its gensets, into appropriate programs for simulations of power flow and dynamic stability. The simulations were carried out in a variety of cases, always taking into account the maximum demand already registered in the system, based on the highest load billed by the local utility. From the system model and the geographic arrangement of the generators, and by the considerable size of the network, there was a division in the feeders, so that the creation of microgrids was favored. Thus, the network was divided into six regions, and in three of them the load was very close to generation capacity, thus forming three distinct microgrids. All simulations focused on studying the transients that affect the frequency, magnitude and angle of the voltage, at the moments in-between the connection and disconnection of the microgrids with the distribution system. Some other aspects were also analyzed, such as the voltage levels presented in the network without and with the parallelism of the gensets and the electrical losses of the system in the same cases. The voltages of the base case were compared with those of the other cases. A specific case of overload of the microgrids has also been studied, aiming to observe what happens in this situation and the transients that the parallelism of them with the distribution system, without respecting the IEEE recommendations, can cause. O presente trabalho desenvolveu uma metodologia que foi aplicada em um estudo que teve como ponto de partida o controle de demanda em uma instalação elétrica, visando a redução de custos com fatura, utilizando para isso os sistemas de geração de backup, que possui como fonte principal os Grupos Motor Gerador (GMG’s). O foco principal se deu nos aspectos técnicos que circundam o paralelismo dessas máquinas com a rede de distribuição de energia elétrica e também na formação de microrredes em três momentos de operação, paralelo com a rede de distribuição, operação isolada e paralelismo entre microrredes. Após o desenvolvimento da metodologia, foi escolhida uma rede real de distribuição de energia para a sua aplicação. A partir disso, o sistema de distribuição foi modelado, assim como os seus GMG’s de backup, em programas apropriados para as simulações dos cálculos de fluxo de potência e desempenho dinâmico. Feito isso, as simulações foram realizadas para variados casos, sempre levando em consideração a demanda máxima já registrada no sistema tomado como base, ou seja, com o maior carregamento faturado pela concessionária de energia local. A partir do modelo do sistema e da disposição geográfica dos geradores, e pelo tamanho considerável da rede, houve uma divisão nos alimentadores de modo que a criação de microrredes fosse favorecida. Sendo assim, a rede foi dividida em seis regiões, sendo que, em três delas o carregamento ficou muito próximo da capacidade de geração, formando assim, três microrredes distintas. Todas as simulações se concentraram em estudar os transitórios que afetam a frequência, o módulo e ângulo da tensão, nos momentos que circundam a conexão e a desconexão das microrredes no sistema de distribuição. Alguns outros aspectos também foram analisados, como os níveis de tensão apresentados na rede sem e com o paralelismo dos GMG’s e as perdas elétricas do sistema nos mesmos casos. As tensões do caso base foram comparadas com as dos demais casos. Um caso específico de sobrecarga das microrredes também foi estudado, visando observar o que acontece nesta situação e os transitórios que o paralelismo das mesmas com o sistema de distribuição, sem respeitar o recomendado pelo IEEE, podem causar.

Submitted by Daniella Santos (daniella.santos@ufma.br) on 2019-04-09T18:07:07Z No. of bitstreams: 1 JessicaAlmeida.pdf: 3782984 bytes, checksum: 8a7cff56f7cf1ca5ede2b01663c1a66a (MD5) Made available in DSpace on 2019-04-09T18:07:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JessicaAlmeida.pdf: 3782984 bytes, checksum: 8a7cff56f7cf1ca5ede2b01663c1a66a (MD5) Previous issue date: 2019-02-27 FAPEMA Electric power systems are going under fundamental changes that consist, among other things, in the modernization of generation, transmission and distribution technologies. The electrical generation from large centralized systems, usually based on fossil fuels, began to move to a new ideology that consists in more decentralized systems with small generating units, connected to the conventional electric grid and using alternative sources of energy, the microgrids. The growing integration of distributed generation into power systems, due to the need to meet the demand for electricity, in a reliable and sustainable manner, directs efforts to evaluate the impacts caused by the connection of these with the distribution system as well as the analysis of the optimized operation of these systems which are characterized by the variability of renewable sources. These energy sources are preferred because they are environmental friendly and their integration to form a hybrid system presents an excellent choice for distributed energy production improving the reliability, efficiency and safety of the energy system. This dissertation discusses the operation of a micro-grid with oceanic and solar photovoltaic hybrid generation. Hybrid systems with solar photovoltaic generation have already been well studied due to the fact that this is a consolidated technology. In view of these aspects, this work proposes the study more directed to the oceanic energy integration impacts, which is a renewable source still little studied, in the conventional distribution network. Subsequently, the optimum dispatch problem of an oceanic and solar photovoltaic hybrid microgrid with storage system and connected to the electric grid was formulated and solved. The problem was formulated as a non-linear optimization problem with mixed variables, which is solved efficiently through a problem-oriented metaheuristic. Os sistemas elétricos de potência estão passando por mudanças fundamentais que consistem, entre outras coisas, na modernização das tecnologias de geração, transmissão e distribuição. A geração de energia elétrica proveniente de grandes sistemas centralizados, geralmente baseados em combustíveis fosséis começou a transitar para uma nova ideologia que consiste na utilização de sistemas mais descentralizados com unidades geradoras de pequeno porte, ligados à rede elétrica convencional e que utilizam fontes alternativas de energia, as microrredes. A crescente inserção da geração distribuída em sistemas de potência, devido à necessidade de atender ao aumento da demanda por energia elétrica, de maneira confiável e sustentável, direciona esforços para a avaliação dos impactos causados pela conexão destas com o sistema de distribuição assim como a análise da operação otimizada desses sistemas que são caracterizados pela variabilidade das fontes renováveis. Essas fontes de energia são preferidas por serem ecologicamente corretas e a sua integração para formar um sistema híbrido apresenta uma excelente opção para a produção de energia distribuída melhorando a confiabilidade, eficiência e segurança do sistema de energia. Nesta dissertação é discutida a operação de uma microrrede com geração híbrida oceânica e solar fotovoltaica. Os sistemas híbridos com geração solar fotovoltaica já foram bastante estudados devido ao fato desta ser uma tecnologia consolidada. Diante destes aspectos, neste trabalho é proposto o estudo mais direcionado ao impacto da integração das energias oceânicas, que é uma fonte renovável ainda pouco estudada, na rede de distribuição convencional. Posteriormente, foi formulado e resolvido problema do despacho ótimo de uma microrrede híbrida oceânica e solar fotovoltaica com sistema de armazenamento e conectada à rede elétrica. O problema foi formulado como um problema de otimização não linear com variáveis mistas, que é resolvido eficientemente a através de uma meta-heurística orientada para o problema.

El principal objetivo del presente trabajo es la realización de una simulación completa de una microrred utilizando el programa profesional PSCAD/EMTDC. Para poder completar esta tarea, primeramente es necesario modelar correctamente las distintas partes de la microrred. Teniendo esto en cuenta, una microrred real es seleccionada como referencia para el modelado y la simulación de la microrred de la que trata el presente trabajo. Tras esto, una vez que las diferentes partes de la microrred están operativas, se procede a la simulación de diferentes casos de estudio, los cuales van desde simulación bajo condiciones de funcionamiento aislado, hasta condiciones de falta, pasando por el funcionamiento conectado a la red y bajo condiciones de emergencia. Se ha llevado a cabo algunas simplificaciones del sistema debido a la falta de información y a la ausencia de esquemas eléctricos. Por lo tanto, una vez que la red ha sido modelada y simulada, los resultados son analizados y las conclusiones realizadas. Como apéndices se presentan, un presupuesto y una guía de usuario con el fin de ayudar a la comprensión de cuál es el procedimiento en las simulaciones de sistemas de potencia con el software empleado.

Este documento presenta una plataforma basada en la tecnología blockchain para realizar intercambios de energía entre prosumidores dentro de una microrred eléctrica. La tecnología blockchain se emplea para garantizar la trazabilidad de la energía en todas sus fases y para todas las partes implicadas en los intercambios energéticos, desde el momento de la generación, hasta el momento de su consumo. Además, se incluye el proceso de subasta de esa energía, donde varios consumidores han realizado ofertas por ella y una de ellas ha resultado ganadora. Todos estos pasos quedan grabados en una base de datos siempre creciente, de la que cada usuario de la microrred tiene una copia sincronizada y protegida criptográficamente frente a manipulaciones. Todo el proceso descrito se basa en la tecnología de cadena de bloques o en inglés, como es más conocida, la blockchain. Este trabajo se enmarca dentro del proyecto PROMINT-CM, financiado por la Comunidad de Madrid y el Fondo Social Europeo (Ref: P2018/EMT4366)., This document presents a platform based on blockchain technology to perform energy exchanges between prosumers within an electrical microgrid. The blockchain is used to guarantee the traceability of energy at all stages and for all parties involved in exchanges, from the generation to the consumption. In addition, the process of auctioning that energy has been included, where several consumers have made bids for it and one of them has won. All these steps are recorded in an ever-growing database, of which each user of the microgrid has a synchronized copy and protected cryptographically against manipulations which is the blockchain. This work is part of the PROMINT-CM project, funded by the Comunidad de Madrid and the European Social Fund (Ref: P2018/EMT4366)., Máster Universitario en Ingeniería Industrial (M141)

Resumen En años recientes, las microrredes han logrado un considerable desarrollo debido a que representan una alternativa técnica para responder a contingencias en la red de distribución, como también a incrementar el nivel de generación distribuida, entre otros beneficios. Por tal motivo, el presente artículo presenta un modelo de gestión energética basado en sistemas multiagentes para microrredes que operan en modo isla. El objetivo de esta investigación es el diseño de un sistema multiagente que permita gestionar el funcionamiento de un conjunto de microrredes distribuidas en un entorno aislado, además de mantener la correcta conexión con el bus común que une todas las microrredes, el sistema multiagente debe evitar sobrecargas y descargas profundas en las baterías. La metodología implementada es de tipo empírico analítica, la simulación comienza con una revisión del estado del arte, en búsqueda de una estrategia que permita coordinar un sistema de microrredes compuesto, donde estas están conectadas al mismo sistema de distribución operando en modo isla. La simulación del sistema se realizó mediante OpenDSS-G y Python. Los resultados obtenidos sugieren que un sistema de gestión de energía descentralizado, basado en la teoría de sistemas de agentes múltiples, puede tener importantes beneficios como, por ejemplo, el carácter autónomo de las microrredes para la generación de energía en zonas no interconectadas. Finalmente, con la teoría de multiagente se pueden crear sistemas de generación distribuida más confiables debido a su capacidad autónoma de toma de decisiones, para cubrir demandas eléctricas desde microrredes vecinas y conjuntamente prevenir sobrecargas y profundas descargas en las baterías. Abstract Microgrids have experienced a significant development in recent years because they represent a technical alternative to respond to contingencies in electrical distribution networks and increase the level of distributed generation, among other benefits. The objective of this study is to design an architecture based on multi-agent systems that can be used to manage the operating mode of a distributed microgrid system in an islanded environment. In such architecture, the correct connection of the common bus that links all the microgrids with the multi-agent system is maintained, and overloads and deep discharges in the batteries are avoided. The methodology implemented here is empirical-analytical. The simulation is based on a review of the state of the art that was conducted to find a strategy that can coordinate a composite microgrid system where the microgrids are connected to the same distribution system operating in islanded mode. The system was simulated using OpenDSS-G and Python. The results obtained suggest that a decentralized energy management system based on the theory of multi-agent systems can have important benefits; for example, the autonomous nature of microgrids for power generation in non-interconnected areas. Finally, multi-agent theory can be employed to create more reliable distributed generation systems (due to their autonomous decision-making capacity), meet the electrical demands of neighboring microgrids, and jointly prevent overcharges and deep discharges in batteries.

Este artículo presenta una propuesta de un banco de pruebas de microrredes para uso en laboratorio. El objetivo es proporcionar alta flexibilidad utilizando un enfoque modular con un hardware común para la mayoría de las tareas. El marco experimental propuesto para microrredes a escala de laboratorio proporciona los requisitos para enseñanza e investigación. Esto se logra con una etapa de electrónica de potencia reconfigurable, para pruebas y diseños de nuevas topologías. Permite probar algoritmos en los distintos niveles de la estructura jerárquica de la microrred. Da acceso a la emulación y simulación de elementos encontrados comúnmente en una microrred y a la programación de bajo nivel de los protocolos de comunicación para estudiar el canal de comunicación. La unidad de procesamiento en cada módulo, llamado controlador local, utiliza un procesador digital de señales de alto rendimiento (DSP). Esta unidad de procesamiento permite la reconfiguración de cada módulo para asumir cualquier tarea en la microrred; es decir, como cargas controlables, almacenamiento de energía, generación eólica, generación fotovoltaica, etc. El hardware propuesto se probó operando como emulador de los diferentes subsistemas. Las comunicaciones con un controlador central microrred (MCC) se realizan mediante procesadores integrados estándar, capaces de implementar los protocolos de comunicación adecuados para ambientes de microrred.

Recentemente o transformador eletrônico (SST, do acrônimo Solid State Transformer ) tem atraindo muita atenção da comunidade científica, devido ao seu grande potencial de aplicação nas futuras redes inteligentes. Ele é considerado o elemento chave para se criar a interface para conexão do sistema de microrredes `a rede de distribuição da concessionária local. Permitindo, assim, a integração plug-and-play com múltiplas fontes de energias renováveis, elementos armazenadores de energia e sistemas de distribuição em corrente contínua. A sua principal vantagem em relação ao transformador convencional é a redução substancial de peso e volume. No entanto, por se tratar de um equipamento compostos essencialmente por eletrônica de potência também ´e capaz de atuar de forma ativa no sentido de melhorar a qualidade da energia da rede. No presente trabalho é feito um estudo e análise de diferentes topologias para o projeto do SST, em que ´e definida a topologia de três conversores conectados em cascata. Os níveis de tens˜ao do sistema de distribuição são elevados, portanto, é proposto a aplicação de estruturas de conversores modulares para o seu projeto, que consiste na associação de vários módulos com conversores de menor potência. Essa estrutura apresenta muitas vantagens, no entanto, tolerâncias de componentes e incompatibilidades entre módulos podem levar ao desequilíbrio de tens˜ao do barramento c.c. e a distribuição desigual do fluxo de potência em cada módulo. Neste contexto, o trabalho propõe uma estratégia de controle descentralizada baseado em droop adaptativo, capaz de promover o equilíbrio de tensão e potência entre os módulos do SST, sem depender de uma rede de comunicação. O comportamento da estratégia proposta ´e avaliado por meio de simulação do modelo chaveado do SST no MAviii TLAB/Simulink. A estratégia também é avaliada a partir dos resultados de simulação em tempo real obtidos a partir de uma plataforma baseada em Hardware-In-the-Loop (HIL), em que se tem o modelo matem´atico dos conversores e das malhas de controle embarcados em um DSP (Digital Signal Processor ). Recently the Solid State Transformer (SST) has attracted much attention from the scientific community, due to its great potential of application in future intelligent grids. It is considered the key element to create the interface for connecting the microgrid system to the distribution network of the local utility. This enables plug-and-play integration with multiple sources of renewable energy, energy storage elements and DC distribution systems. Its main advantage over the conventional transformer is the substantial reduction in weight and volume. However, as it is an equipment essentially composed by power electronics is also able to actively act in the direction of improve the quality of grid power. In the present work a study and analysis of different topologies for the SST project is made, in which the topology of three converters connected in cascade is defined. The voltage levels of the distribution system are high, therefore it is proposed the application of modular converter structures for its design, which consists of the association of several modules with lower power converters. This structure has many advantages, however, component tolerances and incompatibilities between modules can lead to DC voltage unbalance and the uneven distribution of power flow drained by each module. In this context, the work proposes a strategy of decentralized control based on adaptive droop, capable of promoting the balance of voltage and power between the SST modules, without depending on a communication network. The behavior of the proposed strategy is evaluated through simulation of the SST switched model in MATLAB/Simulink. The strategy is also evaluated from the real-time simulation results obtained from a hardwarein-the-loop (HIL) based platform, which has the mathematical model of the converters x and the control loops embedded in a Digital Signal Processor (DSP).

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Baseado nas preocupações com a crescente demanda por energia, e sua relação com o meio ambiente e o desenvolvimento, surge a proposta de implementar modelos sustentáveis de desenvolvimento para o setor da energia, estabelecidos com base na avaliação das relações da energia com o conceito de sustentabilidade. Neste contexto, esforços governamentais, institucionais e de pesquisadores na busca de novos recursos energéticos e condicionamento da energia, crescem mais a cada dia. O desenvolvimento de microrredes associadas a edifícios residenciais, comerciais, institucionais e governamentais, visando melhorar o aproveitamento energético das instalações na integração de fontes alternativas de energia, vem se destacando como uma alternativa técnica e economicamente viável. O presente trabalho se insere nesta linha, atráves de estudos e proposições matemáticas aplicáveis a qualquer estutura de microrredes em CC, considerando os mais variados tipos de cargas e modos de operação das fontes de energia local. No trabalho ainda é proposto o estudo de uma microrrede CC de dois barramentos com controle das unidades constituintes através do MPPT e droop. A técnica utilizada para controle das tensões nos barramentos é através da sinalização de barramento. As simulações são implementadas no software PSIM® a fim de avaliar a robustez do sistema de controle e validar o desempenho da microrrede CC proposta. Based on concerns about the growing demand for energy, and its relation to the environment and development, the proposal to implement sustainable development models for the energy sector, established based on the evaluation of energy relations with the concept of sustainability. In this context, government, institutional and research efforts in the search for new energy resources and energy conditioning, grow more every day. The development of microgrids associated with residential, commercial, institutional and governmental buildings, aiming at improving the energy utilization of the installations in the integration of alternative sources of energy, has been highlighted as a technical and economically viable alternative. The present work is inserted in this line, through studies and mathematical propositions applicable to any structure of DC microgrids, considering the most varied types of loads and modes of operation of the local energy sources. In the work is still proposed the study of a two-bus DC microgrid with control of the constituent units through MPPT and droop. The technique used to control bus voltages is through bus signaling. The simulations are implemented in PSIM® software to evaluate the robustness of the control system and to validate the performance of the proposed DC microgrid. Tese (Doutorado)

The electrification of rural or isolated areas coupled with increasing environmental concerns have promoted the emergence of Distributed Energy Resources (DER) and the operation by isolated microgrids. However, the integration of such resources involves technical issues related to the reliability and continuity of the electricity supply. Indeed, the uncertainty of renewable generation sources and the reduced inertia of isolated microgrids are challenges for the operation of these distribution systems. One way to address them is by providing ancillary services through all the resources involved in the system’s operation (generation assets, demand share, and storage systems). Accordingly, this paper first presents a literature review of the challenges and potential benefits of integrating DERs into the operation of a distribution system. It also includes some common strategies to mitigate the vulnerability of the introduction of these technologies in microgrids. Afterwards, the current state of each type of resource in Colombia is assessed. Finally, some basic strategies that enhance the benefits of DER integration are outlined along with the overcoming of challenges of microgrid operation in said country. To that end, we consider isolated Colombian regions to be natural laboratories where the effects of DER integration and the requirements for the operation by local production units can be analyzed. Resumen La electrificación de áreas rurales o aisladas, junto con las crecientes preocupaciones ambientales, han promovido la aparición de Recursos Energéticos Distribuidos (DER), y la operación por microrredes aisladas. Sin embargo, la integración de dichos recursos trae consigo problemas técnicos relacionados con la confiabilidad y la continuidad del suministro de electricidad. De hecho, la variabilidad e incertidumbre del recurso primario de las fuentes de generación renovables y la poca inercia de las microrredes aisladas son desafíos que se enfrentan en la operación de estos sistemas de distribución. Una forma de responder a estos desafíos es brindando servicios complementarios a través de todos los recursos inmersos en el funcionamiento del sistema (activos de generación, participación de la demanda y sistemas de almacenamiento). Este artículo muestra una revisión de los desafíos y beneficios potenciales de la Integración de DER, en la operación del sistema de distribución reportados en la literatura, junto con algunas estrategias comunes para mitigar la vulnerabilidad de la introducción de estas tecnologías en microrredes. Asimismo, realiza una evaluación del estado actual de cada recurso en Colombia; finalmente, se describen algunas estrategias para aumentar del impacto de los beneficios de la Integración de DER y la superación de algunos desafíos planteados en la operación por microredes en Colombia. Para ello, se considera a las regiones aisladas de Colombia como un laboratorio natural, donde sería posible analizar los efectos de la Integración de DER, así como los requisitos para la operación por parte de las unidades de producción locales.

Nowadays most distributed generators are not designed to operate under islanded conditions. The ancillary service of islanded operation capability is proposed as a technical support service with the ability to increase the reliability, security and flexibility of an electrical distribution system. Nevertheless, island operation entails technical, economic and social issues that must be discussed and analyzed during the planning stage. This article compares an intentional island project to a preplanned island and describes the main issues and benefits of islanded operation. Additionally, the reliability of the service to implement the islanded operation capability as an ancillary service is economically assessed, which shows that island-based operation has the potential to minimize non-supplied energy up to 50%. Also, a technical analysis of implementing island operation capability ancillary service is presented. Subsequently, an existing electrical distribution system with small hydropower plants is considered as a study case in order to identify the technical requirements set out for both, the distribution system and the generation source. Finally, taking into account the current Law and regulations, a proposal is outlined for the implementation of the island operation capability ancillary service in the Colombian electrical system. Resumen Hoy en día, la mayoría de los generadores distribuidos no están diseñados para operar bajo condiciones de isla. El servicio complementario de capacidad de operación por islas se presenta como un servicio de soporte técnico con la capacidad de aumentar la resiliencia, confiabilidad, seguridad y flexibilidad de un sistema eléctrico de distribución. Sin embargo, la operación por islas presenta unos desafíos técnicos, económicos y sociales que deben discutirse y analizarse durante la etapa de planificación. En este artículo, se presenta una comparación entre una operación intencional por islas y una isla planificada previamente, así como una descripción de los principales desafíos y beneficios de la operación por islas. Además, se realiza una evaluación económica de la confiabilidad del servicio de energía eléctrica al implementar la capacidad de operación por islas como un servicio complementario. Dicha evaluación muestra que la operación por islas tiene el potencial de minimizar la energía no suministrada hasta en un 50%. Además, se muestra un análisis técnico para la implementación del servicio complementario de capacidad de operación por islas. Luego, se estudia un sistema eléctrico de distribución existente con pequeñas centrales hidroeléctricas como un estudio de caso, con el fin de identificar los requisitos técnicos establecidos tanto para el sistema de distribución como para la fuente de generación. Finalmente, y teniendo en cuenta las normativas y regulaciones vigentes, se esboza una propuesta para la implementación del servicio complementario de capacidad de operación por islas en el sistema eléctrico colombiano.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2018-05-02T19:23:15Z No. of bitstreams: 1 KarlianeJesus.pdf: 4349508 bytes, checksum: ffbc4bbb3d21651de8970a6c8947e74d (MD5) Made available in DSpace on 2018-05-02T19:23:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 KarlianeJesus.pdf: 4349508 bytes, checksum: ffbc4bbb3d21651de8970a6c8947e74d (MD5) Previous issue date: 2018-03-15 CNPq In recent years, the distribution systems have become more complex due to different factors, such as: insertion of conventional and renewable Distributed Generation (DG), installation of Phasor Measurement Units (PMU), utilization of Smart Meters, etc.. In this way, the microgrid concept has emerged as an implementer to accommodate all these changes in electrical systems. Islanded microgrids are more vulnerable to voltage and frequency deviation that increase their complexity of control e operation. This complexity requires the introduction of new functions in the distribution management systems to aid the operator in the decision make process and in the new reality of the distribution networks. Thus, the State Estimation (SE) function becomes essential since it is responsible for providing reliable information about the current system operation point based on available measurements. This dissertation proposes a methodology for SE in islanded microgrid that is able to estimate the complex voltage at all the bus and the frequency of operation in steady state. Frequency measurements and inertia characteristics of the distributed generators were introduced in the proposed formulation aiming to provide a tool with ability of representing more realistically and accurately the microgrid operation. The developed methodology is based on the distributed slack bus power flow to model the absence of the swing bus and the primary control in the islanded operation of the microgrid. This power flow evaluates the network state and the frequency deviations in steady state that are utilized to generate the true values of the measurements used in SE. A microgrid of 38 bus and 5 distributed generators was used to validate the proposed formulation through statistical indices such as: average relative errors between true and estimated values, bias, consistency, quality and risks of the relative errors violate their specified values. The tests results demonstrated that the proposed methodology is more accurate and robust, with regard to bad data, than the conventional state estimator Ao longo dos últimos anos, os sistemas de distribuição têm se tornado mais complexos devido a diversos fatores, tais como: inserção de Geração Distribuída (GD) convencional e renovável, instalação de unidades de medição fasorial (UMF), utilização de medição inteligente (“Smart Meters”), etc.. Neste contexto, o conceito de microrrede surgiu como elemento facilitador para acomodar essas mudanças que vêm ocorrendo nos sistemas elétricos. As microrredes ilhadas apresentam maior vulnerabilidade aos desvios de tensão e frequência, aumentando a complexidade de controle e operação da mesma. Esta complexidade exige a introdução de novas funções nos centros de operação da rede de distribuição para auxiliar o operador no processo de tomada de decisões na nova realidade das redes de distribuição. Assim, a função de Estimação de Estado (EE) torna-se fundamental visto que ela é responsável por fornecer informações confiáveis do ponto atual de operação do sistema, a partir das medições disponíveis. Esta dissertação apresenta uma metodologia de EE em microrredes ilhadas que, além de estimar as tensões complexas nos barramentos, é capaz de estimar a frequência de operação em regime permanente. Medições de frequência e as características de estatismo dos geradores foram inseridos na formulação proposta visando disponibilizar uma ferramenta com a capacidade de representar de forma mais realista e precisa o funcionamento da microrrede. A metodologia desenvolvida se baseia no fluxo de potência com barra de folga distribuída para modelar a ausência de uma barra de folga e o controle primário na operação ilhada da microrrede. Este fluxo é usado para calcular o estado da rede e os desvios de frequência em regime permanente que são usados para gerar os valores verdadeiros das medições utilizadas na EE. Uma microrrede de 38 barras com 5 geradores foi utilizada para validar a formulação proposta através de índices estatísticos, entre eles: erros relativos médios entre valores verdadeiros e estimados, tendência, consistência, qualidade e riscos dos erros relativos violarem limites especificados. Os resultados dos testes mostraram que a metodologia proposta é mais precisa e robusta, com relação a medidas com erros grosseiros, que o estimador de estado convencional.

Submitted by Daniele Fonseca (daniele@ct.ufrj.br) on 2020-05-21T11:50:15Z No. of bitstreams: 1 MarlonMaxHuamaniBellido-min.pdf: 2896520 bytes, checksum: 8a14a32438d3522fa657f16541f17da2 (MD5) Made available in DSpace on 2020-05-21T11:50:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarlonMaxHuamaniBellido-min.pdf: 2896520 bytes, checksum: 8a14a32438d3522fa657f16541f17da2 (MD5) Previous issue date: 2018-03 Das primeiras aplicações em sistemas isolados, até os dias de hoje, o conceito de microrrede tem evoluído para um conceito funcional mais amplo, envolvendo sua integração com o sistema elétrico, podendo operar em paralelo ou de maneira ilhada à rede. Questões como a maior penetração da geração distribuída renovável intermitente e segurança energética, têm incentivado sua pesquisa e desenvolvimento em alguns países. Diversos estudos, basicamente relacionados às questões técnicas, têm apontado suas potenciais vantagens, não somente ao consumidor mas também às distribuidoras e sociedade como um todo, entretanto, poucos estudos e projetos em programas de demonstração e desenvolvimento comercial existem fora dos laboratórios. Este trabalho tem como objetivo oferecer uma visão geral sobre as microrredes na atualidade, apresentando alguns dos desafios técnicos, regulatórios, econômicos e de mercado que estas devem enfrentar e de como estes poderiam ser superados a fim de conseguir sua maior penetração no sistema elétrico brasileiro. Nos desafios de mercado são apresentados alguns dos novos modelos de negócio que estão sendo propostos na literatura para as microrredes. Além disso, para o caso brasileiro, inclui-se a análise da viabilidade de implantação de uma microrrede no Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio de Janeiro, nesse sentido, a fim de realizar esta análise, foram quantificados os recursos disponíveis e algumas características do referido centro. Since its first applications in isolated systems to the present day, the microgrid’s concept has evolved to a broader functional concept, which involves its integration to the electrical system, being able to operate in parallel or islanded to the grid. Issues such as increased penetration of intermittent renewable distributed generation and energy security have stimulated their research and development in some countries. Many studies, related to technical issues, have pointed out their potential advantages, not only to consumers but also to distribution companies and society as a whole, however, few studies and projects concerning demonstration and commercial development programs for microgrids exist outside of laboratories. The purpose of this paper is to provide an overview of microgrids at the present time, presenting some of the technical, regulatory, economic and market challenges that these should face and how they could be overcome in order to achieve their greater penetration into the Brazilian electricity system. It is worth noting that in the market challenge some new microgrid business models are being proposed in the microgrid’s literature. In addition, for the Brazilian case, the analysis of the viability of the implantation of a microgrid at the Technology Center of the Federal University of Rio de Janeiro is included, in order to carry out this analysis, the available resources and some characteristics of the mentioned center was quantified.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e implementação de uma metodologia de cálculo de correntes de curto-circuito em microrredes, visando a aplicação nos ajustes de corrente dos relés de proteção. Inicialmente, é apresentada uma revisão bibliográfica, onde são abordadas as legislações internacionais e nacionais utilizadas nas instalações, as tecnologias de geração distribuída e sistemas de armazenamento de energia, os benefícios da implantação referentes à qualidade de energia, confiabilidade e resiliência e as principais características de arquiteturas relativas à operação e controle. Em seguida, é introduzido o tema de proteção de microrredes, onde as principais características de interface com o sistema elétrico, incluindo os impactos de sua conexão no sistema de proteção, são detalhadas. Posteriormente, são abordadas as metodologias presentes na literatura referentes ao cálculo de curto-circuito nas microrredes, onde suas características mais importantes e limitações são analisadas. Tendo como base as referências teóricas estudadas e também o método da superposição de circuitos elétricos, é desenvolvida uma nova metodologia de cálculo das correntes de curto-circuito que ocorrem internamente às microrredes. A superposição de circuitos é aplicada para as fontes provenientes de máquinas síncronas e um novo método de cálculo que utiliza matrizes dinâmicas é desenvolvido para as fontes provenientes de sistemas fotovoltaicos. Todas as etapas envolvidas na concepção da metodologia são detalhadas, incluindo as equações matemáticas que regem o sistema e a implementação em ambiente computacional de um programa para efetuar de forma automática os cálculos. Este programa é utilizado para simulação em uma arquitetura de microrrede proposta e apresenta bons resultados referentes ao cálculo das correntes de curto-circuito nas barras e elementos da instalação. Na etapa final do trabalho, é desenvolvida uma interface gráfica para operação e controle da microrrede, onde os valores de correntes obtidos na simulação são utilizados nos ajustes dos pontos de atuação dos relés de proteção, visando a coordenação e seletividade entre os mesmos. This work presents the development and implementation of a methodology for the calculation of short circuit currents in microgrids, aiming at the application in the protective relays current adjustments. Initially, a bibliographic review is presented, which addresses the international and national legislation used in the installations, distributed generation technologies and energy storage systems, the benefits of the implantation referring to the power quality, reliability and resilience and the main characteristics of the operation and control architectures. Then, the theme of microgrids protection is introduced, where the main characteristics of the interface with the electrical power grid, including the impacts of its connection in the protection system, are detailed. After this, the methodologies present in the literature regarding the short circuit calculation in microgrids are discussed, where their most important characteristics and limitations are analyzed. Based on the theoretical references studied and also the method of superposition of electric circuits, a new methodology is developed to calculate the short circuit currents that occur internally to the microgrids. The superposition of circuits is applied to the sources from synchronous machines and a new calculation method using dynamic matrices is developed for the sources from photovoltaic systems. All the steps involved in the design of the methodology are detailed, including the mathematical equations that govern the system and the implementation of a program to run automatically the calculations. This program is used for simulation in a microgrid architecture proposed and presents good results regarding the calculation of the short circuit currents in the bars and elements of the installation. In the final stage of the work, a graphical interface is developed for the operation and control of the microgrid, where the values of currents obtained in the simulation are used in the adjustment of the points of operation for the protective relays, aiming the coordination and selectivity between them.

La meseta central patagónica presenta numerosas poblaciones dispersas alejadas de las líneas eléctricas del sistema interconectado nacional y cuyo suministro eléctrico proviene de generadores diésel. Este trabajo muestra el potencial de la generación fotovoltaica para paliar el problema energético de dichas comunidades. A tal fin, se estimó la producción anual de una planta fotovoltaica de 100 kW en Telsen (Chubut), obteniéndose que la misma generaría aproximadamente el 5 % del consumo anual. La evaluación económico-financiera muestra que el período de retorno de la inversión resulta inferior a 5 años. Se concluye entonces que la introducción de la generación fotovoltaica en la matriz energética de las comunas aisladas contribuiría a aumentar la resiliencia del sistema eléctrico ante la escasez de combustible y a bajar los costos de generación. Ello permite afirmar que un proyecto como el propuesto es replicable en otras comunas de la Patagonia con importantes beneficios sociales y económicos., The Patagonian central plateau presents several dispersed populations far from the electrical lines of the national interconnected system and whose electrical supply comes from diesel generators. This work shows the potential of photovoltaic generation to mitigate the energy problem of these communities. To this end, the annual production of a 100 kW photovoltaic plant in Telsen (Chubut) was estimated, obtaining that it would generate approximately 5 % of the annual consumption. The economic-financial evaluation shows that the payback period is less than 5 years. It is concluded that the introduction of photovoltaic generation in the energy matrix of the isolated communes would contribute to increase the resilience of the electrical system in case of fuel shortages and to reduce generation costs. This allows to claim that a project like the one proposed is replicable in other Patagonian communities with important social and economic benefits., Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES)