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Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, A proliferação das cargas não-lineares nas redes elétricas contribuiu para um aumento dos problemas de qualidade de energia elétrica (QEE). Os problemas de QEE podem causar perdas económicas elevadas ao consumidor, pois afetam o bom funcionamento nos equipamentos ligados à rede elétrica. Posto isto, é essencial a realização de monitorizações de qualidade de energia elétrica com os objetivos de fazer uma análise de qualidade do serviço prestado, identificando eventuais medidas de melhoria. Neste sentido, a Universidade do Minho adota políticas e medidas procurando alcançar uma maior sustentabilidade energética e daqui advém o principal incentivo para esta dissertação. De forma a eliminar ou mitigar os diversos problemas que possam existir na rede elétrica foram estudadas diversas soluções de compensação de QEE, desde filtros passivos, mais facilmente implementáveis, aos filtros ativos de potência, mais completos e com mais funcionalidades, com uma implementação mais dispendiosa. Nesta dissertação, o principal objetivo é recolher e analisar os parâmetros de qualidade de energia elétrica nas instalações da Universidade do Minho, mais concretamente no laboratório do grupo de eletrónica de potência e energia localizado no Departamento de Eletrónica Industrial, no Campus de Azurém. Para a concretização da monitorização usou-se um analisador de qualidade de energia elétrica que oferece um vasto leque de funcionalidades e que permite o acesso a um conjunto de medições e indicadores que permitem avaliar a qualidade de um sistema elétrico. Com base nos dados recolhidos, foram estudadas e validadas em ambiente de simulação possíveis soluções a adotar com o intuito de melhorar a qualidade de energia nas instalações. Com base nos resultados obtidos foi feita uma prospeção de mercado e foram identificados equipamentos que melhor se adequam ás instalações em estudo., The proliferation of non-linear loads in electrical power grids has contributed to an increase in electrical power quality (PQ) problems. PQ problems can cause high economic losses to the consumer, as they affect the proper functioning of equipment connected to the power grid. That said, it is essential to carry out monitoring of the power quality in order to carry out an analysis of the quality of the service provided, identifying the required actions for improvement. In this sense, the University of Minho adopts policies and actions seeking to achieve greater energy sustainability and hence the main incentive for this dissertation. In order to eliminate or mitigate the various problems that may exist in the power grid, several mitigation solutions were studied, from passive filters, more easily implementable, to active power filters, more complete and with more functionalities, with a more expensive implementation. In this dissertation, the main objective is to acquire and analyze the parameters of power quality in the University of Minho facilities, more specifically in the laboratory of the energy and power electronics group located in the Department of Industrial Electronics, in the Campus of Azurém. In order to carry out the monitoring, a power quality analyzer was used, which offers a wide range of features and allows access to a set of measurements and indicators that allow evaluating the power quality of an electrical system. Based on the data collected, possible solutions to be adopted in order to improve the power quality in the facilities were studied and validated in a simulation environment. Based on the results obtained, a market survey was carried out and equipment that best suits the facilities under study was identified., Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto IC&DT “Quality4Power – Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/28813/2017.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Nas últimas décadas, tem havido uma aposta de diversos países na eletrificação do seu sistema ferroviário. Esta eletrificação tem como objetivo combater as consequências negativas do uso de locomotivas a gasóleo, como é o caso da poluição atmosférica. Mais recentemente, com o aumento da demanda pelo transporte ferroviário, será necessária a integração de mais locomotivas no sistema ferroviário, o que leva à necessidade de aumentar a capacidade da catenária. Para isso, a incorporação de fontes de energia renováveis, como a energia solar fotovoltaica, próximas dos locais de consumo constitui uma solução pertinente. Desta forma, no presente documento de dissertação é descrito o desenvolvimento de uma interface de módulos solares fotovoltaicos baseada em conversores modulares e multinível para integração em sistemas ferroviários, bem como todas as etapas inerentes à realização deste projeto. Para esta interface, utilizou-se um conversor CC-CC, em que no seu sistema de controlo se encontra incluído um algoritmo de extração da máxima potência (MPPT), que faz com que a sua operação ocorra sempre no ponto de máxima potência dos módulos solares fotovoltaicos. Por sua vez, este é seguido de um conversor CC-CA do tipo modular e multinível em cascata que tem como finalidade a injeção de potência ativa e reativa na catenária de um sistema ferroviário. Esta funcionalidade permite uma regulação dinâmica do valor de tensão existente na catenária. Para a realização deste projeto de dissertação, inicialmente, foi necessário fazer um estudo relativo ao sistema elétrico ferroviário e às tecnologias solares fotovoltaicas. Seguidamente, foram analisados os diferentes conversores de eletrónica de potência e algoritmos de controlo que podiam integrar este projeto. A topologia utilizada e os algoritmos de controlo descritos nesta dissertação foram avaliados através dos resultados de simulação obtidos com o software PSIM. Esta topologia é composta por três transformadores, portanto foi feita uma análise de diferentes abordagens para estes, assim como os seus dimensionamentos. Posteriormente, foi desenvolvido um protótipo laboratorial do qual são apresentados os resultados experimentais que validam o funcionamento da topologia utilizada., In recent decades, there has been a commitment by several countries to electrify their railway system. This electrification aims to combat the negative consequences of diesel locomotives, such as air pollution. More recently, with the increase in demand for railway transport, it will be necessary to integrate more locomotives into the railway system, which leads to the need to increase the overhead catenary line power capacity. For this, the incorporation of renewable energy sources, such as photovoltaic solar energy, close to the places of consumption constitutes a pertinent solution. Thus, the present master dissertation document describes the development of an interface of solar photovoltaic solar with the railway systems based on modular and multilevel power converter, as well as all the intrinsic stages to the conception of this project. For this interface, a DC-DC power converter was used, in which a maximum power point tracking (MPPT) algorithm is included in the control system, which ensures that the power converter operation always occurs at the maximum power point of the solar photovoltaic modules. This converter is followed by a modular and multilevel DC-AC converter, whose purpose is to inject active and reactive power into the overhead catenary line of a railway system. This feature allows dynamic regulation of the voltage value existing in the catenary. In order to carry out this dissertation project, initially, it was necessary to conduct a study on the railway electrical system and photovoltaic solar technologies. Then, the different power electronics converters and control algorithms that could integrate this project were analyzed. The topology used and the control algorithms described in this dissertation were evaluated through the simulation results obtained with the PSIM software. This topology is composed of three transformers, so an analysis of different approaches was made for these, as well as their sizing. Subsequently, a laboratory prototype was developed, from which the experimental results that validate the operation of this topology are presented.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores (área de especialização em Eletrotecnia e Sistemas de Energia), Desde o início do século XXI que se verifica uma aposta contínua na investigação e desenvolvimento tecnológico do sistema elétrico ferroviário. Esta aposta deve-se à eficácia dos sistemas ferroviários em reduzir as emissões de carbono para a atmosfera e à diminuição do consumo energético, procurando dar resposta ao aumento crescente da mobilidade populacional e à evolução exponencial das cidades em desenvolvimento. Desta forma, pretende contribuir-se com o desenvolvimento tecnológico de soluções de eletrónica de potência que permitam funcionalidades acrescidas aos sistemas elétricos ferroviários. Na presente dissertação de mestrado é descrito o Desenvolvimento de Conversores Modulares e Multinível para Recuperação da Energia da Travagem Regenerativa em Sistemas Ferroviários. O sistema desenvolvido é caracterizado por uma interface entre um local de armazenamento de energia, nomeadamente baterias, e o sistema elétrico ferroviário. Esta interface é realizada através de um conversor CC-CC e um conversor CC-CA. O conversor CC-CC é responsável por controlar a corrente de carga e descarga das baterias e regular o barramento CC. Por sua vez, o conversor CC-CA é encarregue de sintetizar uma corrente sinusoidal em fase ou em oposição de fase com a componente fundamental da tensão da catenária, de forma a receber ou a injetar energia no ponto de acoplamento do sistema desenvolvido. Considerando o tipo de aplicação, onde as tensões da catenária são elevadas, utilizou-se um conversor CC-CA composto por vários módulos de eletrónica de potência ligados em série, constituindo assim um conversor em cascata modular e multinível. Para a realização deste projeto de dissertação foi necessário, numa fase inicial, o estudo do sistema ferroviário e dos elementos armazenadores de energia. Após isso, analisou-se os conversores de eletrónica de potência e os algoritmos de controlo admissíveis. De seguida, foi fundamental a simulação computacional do sistema proposto. Validado o sistema em ambiente de simulação, procedeu-se ao desenvolvimento de todo o hardware necessário para um protótipo laboratorial, desde o design, soldagem e teste das placas necessárias, até aos circuitos de potência. Por fim, validou-se o sistema através da obtenção de resultados experimentais com o protótipo desenvolvido., Since the beginning of the 21st century, there has been a continuous commitment to research and technological development of the railway electricity system. This commitment is due to the efficiency of the railway systems in reducing carbon emissions into the atmosphere and reducing energy consumption on a world scale, presenting itself as a solution to the growing increase in mobility and the exponential growth of developing cities. In this way, it is intended to contribute to the technological development of power electronics solutions that allow added functionalities to the railway electrical systems. In this MSc dissertation is described the Development of Modular Multilevel Converters for Recovery of Regenerative Braking Energy in Railway Systems. The developed system is characterized by an interface between an energy storage location, namely batteries, and the railway electrical system. This interface is performed through a DC-DC converter and a DC-AC converter. The DC-DC power converter is responsible for controlling the charging and discharging current of the batteries and regulating the DC-bus. In turn, the DC-AC power convert is responsible for synthesizing the sinusoidal current in phase or in opposition to the fundamental component of the catenary voltage, to receive or inject energy into the coupling point of the developed system. Considering the type of application, where the catenary voltages are high, a DC-AC power converter was used consisting of several power electronics modules connected in series, thus constituting a modular and multilevel cascaded converter. To carry out this dissertation project, it was necessary, at an early stage, to study the railway system and the energy storage elements. After that, it was analyzed the power electronics converters and the admissible control algorithms. Then, the computational simulation of the proposed system was fundamental. Once the system was validated in a simulation environment, all the necessary hardware for a laboratory prototype was developed from designing, welding, and testing the necessary electronic boards to the power circuits. Finally, the system was validated by experimental results obtained with the developed prototype.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, A Qualidade de Energia Elétrica (QEE) é um tema que tem vindo a tornar-se cada vez mais relevante, devido à necessidade de um fornecimento de energia elétrica com qualidade para um correto e eficiente funcionamento dos equipamentos eletrónicos cada vez mais sensíveis e complexos. Tem sido feito um maior investimento na investigação de soluções que possam melhorar a QEE de forma a reduzir os prejuízos provocados por estes problemas. Nessas soluções encontram-se equipamentos de eletrónica de potência que mitigam os problemas de QEE, entre eles o Condicionador Unificado de Qualidade de Energia com controlo invertido (iUPQC). Esta dissertação aborda parte desta topologia recente, sendo o foco principal de estudo o condicionador ativo paralelo trifásico de um iUPQC com interface com baterias para ser integrado numa microrrede. O iUPQC é um equipamento constituído por um Filtro Ativo Série (FAS) e um Filtro Ativo Paralelo (FAP). A principal diferença entre esta topologia e o UPQC é que ao contrário do UPQC que utiliza o FAS para compensar problemas relativos à tensão e o FAP para compensar problemas relacionados com a corrente, o iUPQC utiliza um controlo invertido, utilizando assim o FAP para mitigar os problemas relacionados com a tensão e o FAS para mitigar os problemas da corrente. O objetivo principal deste controlo invertido é permitir que o este seja mais simples, pois irá utilizar referências sinusoidais, em vez de sintetizar as componentes de compensação, sendo estas não sinusoidais. O objetivo principal desta dissertação é implementar algoritmos de controlo para o condicionador ativo paralelo trifásico do iUPQC, de forma a produzir tensões trifásicas com altos padrões de qualidade de energia elétrica, como também para o conversor CC-CC bidirecional que tem como função efetuar a carga/descarga das baterias. No conjunto, o sistema irá permitir gerar as tensões trifásicas para alimentar as cargas da microrrede, com energia proveniente das baterias., Power Quality (QEE) is a topic that has been growing in importance, due to the need for a good quality power supply for the correct and efficient operation of increasingly sensitive and complex electronic equipment. Therefore, there has been a greater investment in research into solutions that can improve the quality of electrical power in order to reduce the losses related to these problems. Among these solutions are power electronics equipment that mitigates power quality problems, among them the Unified Power Quality Conditioner with inverted control (iUPQC). This dissertation addresses part of this recent topology, the focus being the Shunt Active Filter (FAP) of an iUPQC interfaced with batteries to be integrated into a microgrid. The iUPQC is a device consisting of a Series Active Filter (FAS) and a Shunt Active Filter (FAP). The main difference between this topology and the UPQC is that, unlike the UPQC which uses the FAS to compensate voltage related problems and the FAP to compensate current related problems, the iUPQC uses a reverse control, thus using the FAP to mitigate voltage related problems and the FAS to mitigate current problems. The main purpose of this inverted control is to allow the control to be simpler, as it will use sinusoidal references instead of synthesizing the compensation components, these being non-sinusoidal. The main objective of this dissertation is to implement control algorithms for the iUPQC three-phase parallel active conditioner, to produce three-phase voltages with high power quality standards, as well as for the bidirectional DC-DC converter that has the function of charging/discharging the batteries. Altogether, the system will allow the generation of three-phase voltages to supply the microgrid loads, with energy from the batteries., Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto IC&DT “Quality4Power – Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/28813/2017

Dissertação do mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Nos últimos anos tem-se verificado um crescimento no incentivo de promoção de energias renováveis para autoconsumo. O futuro passa pela produção de energia renovável em que os consumidores de energia passam a ter capacidade para produzir, consumir, armazenar, partilhar e até mesmo vender energia elétrica. Neste sentido é pretendido a promoção da produção descentralizada de energia baseando-se nas fontes renováveis com o intuito de melhorar a coesão social e territorial através da independência energética, alocação de recursos e criação de empregos em regiões menos desenvolvidas do país. Como tal, com o objetivo de acelerar o processo da transição na produção descentralizada de energia, principalmente em zonas remotas, baseada em energia renovável é proposto no presente documento o Desenvolvimento de uma Microrrede Trifásica Baseada em energia Renovável. Nesta dissertação é apresentado um estudo bibliográfico sobre microrredes, painéis solares fotovoltaicos, baterias, conversores de potência e teorias de controlo. É descrito o desenvolvimento dos conversores CC-CC para interface dos painéis solares fotovoltaicos e das baterias com o barramento CC do sistema. No controlo dos conversores CC-CC é implementado um algoritmo MPPT para extrair a potência máxima dos painéis fotovoltaicos e um algoritmo para o controlo de corrente para os diferentes modos de operação da bateria. É também descrito o desenvolvimento do conversor CC-CA (inversor) trifásico que tem como finalidade produzir três tensões sinusoidais para as cargas da microrrede. Para alcançar os objetivos foi necessário um estudo do funcionamento dos conversores de potência e dos algoritmos de controlo. As topologias de conversores e os algoritmos de controlo foram previamente validados recorrendo a simulações computacionais. Procedeu-se depois ao desenvolvimento de um protótipo laboratorial com vista à validação experimental do sistema., In recent years there has been a growth in the incentive to promote renewable energy for self-consumption and beyond. The future lies in the generation of renewable energy in which energy consumers can produce, consume, store, share, and even sell electricity. In this sense, it is intended to promote decentralized energy production based on renewable sources to improve social and territorial cohesion through energy independence, resource allocation, and job creation in less developed regions of the country. As such, to accelerate the transition process in decentralized energy production, mainly in remote areas, the development of a three-phase microgrid based on renewable energy is proposed in this Master dissertation. This document presents a bibliographic study on microgrids, photovoltaic solar panels, batteries, power converters, and control theories. The development of the CC-CC converters for the interface of photovoltaic solar panels and batteries with the system DC-bus is described. In the control of the CC-CC converters, an MPPT algorithm is implemented to extract the maximum power from the photovoltaic panels and an algorithm for the current control for the battery different operation modes. The development of the three-phase DC-AC converter (inverter) is also described, which has the purpose of producing three sinusoidal voltages for the microgrid loads. In order to achieve the purpose of the objectives, it was necessary to study the operation of power converters and control algorithms. The converter topologies and control algorithms were previously validated using computer simulations. Then, a prototype was developed for the experimental validation of the system., Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto IC&DT “Quality4Power – Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/28813/2017

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, As bicicletas representam um meio de locomoção de bastante importância na nossa sociedade, ao combinar as vantagens de um veículo pessoal de porte reduzido, com a redução das emissões nocivas ao planeta, enquanto promovem o desporto e bem estar do utilizador. As bicicletas elétricas correspondem a um meio de transporte de tração humana equipado com um sistema de baterias e um motor elétrico, podendo esse ser utilizado pelo ciclista como auxiliar de potência. O foco da indústria em providenciar um ambiente inteligente ao utilizador final, em que a bicicleta elétrica é capaz de se adaptar automaticamente às necessidades do mesmo é uma área que tem sofrido bastante evolução. Nesta dissertação foi desenvolvido um sistema de sensorização móvel aplicado ao ciclismo, sendo possível adquirir em tempo real dados relativos à Frequência cardíaca, ao Torque aplicado na pedaleira, à Cadência da pedaleira e à Potência instantânea debitada pelo ciclista. O sistema desenvolvido permite que os dados recebidos sejam guardados localmente na aplicação que contem uma base de dados desenvolvida em SQLite. A transferência dos dados é realizada através da rede sem fios Bluetooth Low Energy (BLE). Os dados adquiridos podem ser visualizados em tempo real através da aplicação Android desenvolvida, a partir da qual é possível fazer a personalização do modo de funcionamento do sistema desenvolvido bem como a parametrização dos seus valores limite. A aplicação desenvolvida é capaz de se ligar ativamente a dois dispositivos BLE simultaneamente, mantendo o seu funcionamento ativo mesmo com o smartphone bloqueado. A aquisição dos valores de cadência, torque e potência é realizada recorrendo a um microcontrolador integrado num módulo transceiver BLE. O sistema desenvolvido foi testado através de um cenário de testes real de maneira a ser possível verificar as repercussões da mudança de declive da estrada nas variáveis adquiridas. Através da aplicação desenvolvida é possível observar a evolução dos dados adquiridos, ao longo do tempo, com a ajuda de uma interface visual sob a forma de um gráfico de barras, onde são apresentadas todas as variáveis simultaneamente, assim como a conversão funcional de todos os valores adquiridos para um ficheiro do tipo csv (Comma-separated values)., Bicycles represent a very important means of transportation in our society, by combining the advantages of a small personal vehicle, with the reduction of harmful emissions to the planet, while promoting sport and the well-being of the user. The industry's focus on providing a smart environment for the end user, in which the bicycle can automatically adapt to its needs, is an area that has undergone a lot of evolution. In this dissertation, a mobile sensing system applied to cycling was developed, making it possible to receive data in real time on heart rate, torque applied to the pedalboard, the cadence of the pedalboard and the instantaneous power created by the cyclist. The developed system allows the received data to be saved locally in the application that contains a database developed in SQLite. Data transfer is carried out via the Bluetooth Low Energy (BLE) wireless network. The acquired data can be viewed in real time through the developed Android application, from which it is possible to customize the operating mode of the developed system as well as the parameterization of the limit values for each of the control variables. The developed application is capable of actively connecting to two BLE devices simultaneously, maintaining its active operation even with the phone locked mode. Data acquisition is done using a microcontroller integrated in a BLE transceiver module. The developed system was tested through a real test scenario corresponding to a zero-slope zone and another zone with some degree of slope, so that it is possible to verify the influence of the slope on the variables acquired by the system. It was possible to visualize the data acquired in the application through a graphic interface, where all variables are presented simultaneously, as well as the correct conversion of all acquired values to a file of the type csv (Comma-separated values).

Dissertação do mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, A Qualidade de Energia Elétrica (QEE) é um tema cada vez mais importante no ramo da engenharia, pois os problemas na rede elétrica podem levar a que os equipamentos não funcionem corretamente. Isso, faz com que muitos clientes, no sector industrial serviços tenham prejuízos económicos muito elevados. Porém, muitos desses problemas ocorrem devido às cargas utilizadas pelos clientes que “poluem” a rede elétrica com potência reativa e harmónicas. Existem equipamentos de eletrónica de potência que mitigam estes problemas de Qualidade de Energia Elétrica, entre eles o Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (Unified Power Quality Conditioner - UPQC). Esta dissertação aborda uma nova topologia deste equipamento chamado Condicionador Unificado de Qualidade de Energia com Controlo Invertido (iUPQC) Monofásico com a adição de baterias, para permitir o modo de alimentação ininterrupta da instalação (Uninterruptible Power Supply – UPS) denominando-se assim iUPQC-UPS. Um UPQC é um equipamento constituído por um condicionador ativo série (Conversor CC-CA) e um condicionador ativo paralelo (Conversor CC-CA) que ligam a um barramento CC comum. Este barramento irá ligar às baterias a partir de um conversor CC-CC bidirecional. O objetivo do UPQC com controlo invertido é que o condicionador ativo série absorva da rede a potência ativa necessária impondo uma corrente sinusoidal do lado da rede, enquanto que o condicionador ativo paralelo fornece às cargas uma tensão sinusoidal com frequência e valor eficaz normalizado. Desta forma, todas a potência reativa e harmónicas serão fornecidos pelo condicionador ativo paralelo. Esta dissertação apresenta um estudo bibliográfico dos condicionadores ativos de potência que mitigam os problemas de QEE, das topologias dos conversores de potência e dos seus algoritmos de controlo. Com base neste estudo, foi usada a ferramenta PSIM para fazer simulações dos modos de funcionamento do iUPQC-UPS. Posteriormente, foi desenvolvido o protótipo do iUPQC-UPS, constituído pelo sistema de controlo, sistema de comando e sistema de potência. Por ultimo, o protótipo foi validado ao retirar os resultados experimentais de todos os modos de funcionamento., Electrical Power Quality is an increasingly important topic in the engineering field, as the problems created in the electrical network lead to the equipment not working properly. This causes many customers in the industrial services sector to have very high economic losses. However, many of these problems occur due to the loads used by customers that “pollute” the Electric Grid with reactive power and harmonics. There are power electronics equipment that mitigate these Power Quality problems, among them the Unified Power Quality Conditioner (UPQC). This dissertation approaches a new topology of this equipment called Unified Power Quality Conditioner with Inverted Control (iUPQC) with the addition of batteries, to allow the uninterruptible power supply of the installation (Uninterruptible Power Supply - UPS), thus called iUPQC- UPS. This equipment consists of a series active conditioner (DC-AC converter) and a parallel active conditioner (DC-AC converter) that connect to a common DC bus. This bus will connect to the batteries from a bidirectional DC-DC converter. The objective is that the series active conditioner absorbs the necessary power from the power grid while imposing a sinusoidal current on the power grid side, while the shunt active conditioner provides the loads with a sinusoidal voltage with normalized frequency and effective value. In this way, all reactive power and harmonics will be provided by the shunt active conditioner The batteries will charge or discharge as needed by the network. That is, if the power of the network is greater than the power of the loads, the batteries will use power from the network to charge. If the power of the network is less than the power of the loads, the batteries will discharge when supplying power to the loads., Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto IC&DT “Quality4Power – Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/28813/2017

Dissertação de mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores, A emissão de gases poluentes para a atmosfera tem vindo a provocar alterações climáticas irreparáveis, levantando inúmeras questões relativas ao desenvolvimento sustentável para o futuro que se avizinha. Entre outros, a mobilidade de pessoas e bens apresenta-se como uma das principais origens deste problema. Com o intuito de mitigar este problema, a mobilidade elétrica tem vindo a ter uma presença cada vez mais assídua na sociedade de hoje em dia, proporcionando um meio de transporte com zero emissões. Contudo, a maior desvantagem deste conceito reside no sistema de armazenamento de energia, usualmente baterias eletroquímicas, resultando em autonomias baixas e tempos de carregamento elevados. Com o intuito de contribuir com o desenvolvimento tecnológico nesta área de investigação, o objeto de estudo desta dissertação teve como foco principal os sistemas de carregamento de baterias. No presente documento de dissertação de mestrado são apresentados vários tipos de carregamento de baterias existentes no mercado, os seus princípios de funcionamento, bem como vantagens e desvantagens. Tendo em consideração estes últimos pontos, e com o intuito de contribuir com o desenvolvimento tecnológico nesta área, foi desenvolvido um conversor de eletrónica de potência para o carregamento de baterias de um veículo elétrico. O carregador de eletrónica de potência desenvolvido é trifásico de carregamento lento e unidirecional, tendo sido adotada uma topologia em fonte de corrente, possuindo uma bobina como elemento armazenador de energia, em vez dos típicos condensadores aplicados aos conversores do tipo fonte de tensão. Além das diferenças mencionadas anteriormente, o conversor fonte de corrente permite ajustar de forma dinâmica a corrente de carregamento da bateria, evitando o uso de um segundo conversor CC-CC para esse efeito. Foi utilizado um sistema de controlo para o conversor funcionar como carregador de baterias que tem com base a modulação vetorial. O estudo e validação teórica do conversor de eletrónica de potência para o carregamento das baterias foi realizada com a ajuda da ferramenta de simulação PSIM. O desenvolvimento do protótipo e consequente validação experimental foi realizado em ambiente laboratorial, onde dispunha dos materiais e equipamentos necessários para a realização deste projeto., The emission of gaseous pollutants into the atmosphere has been causing irreparable climate change, raising several issues regarding sustainable development for the near future. Among others, mobility presents itself as one of the main origins of this problem. In order to mitigate this problem, electric mobility has been an increasingly frequent presence in today's society, providing a means of transportation with zero emissions. However, the major disadvantage of this concept lies in the energy storage system, usually electrochemical batteries, imposing low autonomy and high charging times. To contribute to the technological development in this area of research, the study object of this dissertation was focused on battery charging systems. In this Master Dissertation document are presented various types of battery charging systems existing in the market, its operating principles as well as advantages and disadvantages. Taking into consideration these last points, and with the intention of contributing to the technological development in this area, it was developed a power electronics converter to charge electric vehicle batteries. The developed power electronics converter is a three-phase, slow charging unidirectional device, with a current source topology having a coil as energy storage element instead of the typical capacitors applied in voltage source converters. In addition to these differences, the current source converter allows to dynamically adjust the battery charging current, avoiding the use of a secondary DC-DC converter for this purpose. A control system adapted to the converter was used, the main one being based in the space vector modulation. The study and theoretical validation of the power electronic converter for battery charging was carried out with the help of the PSIM simulation tool. The development of the prototype and consequent experimental validation was performed in laboratory environment, where it had the necessary components and instruments for the realization of this project., Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “Quality4Power - Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/28813/2017. Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “DAIPESEV – Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/30382/2017.

The electric mobility dissemination is forcing the adoption of new technologies and operation paradigms, not only focusing on smart grids, but also on smart homes. In fact, the emerging technologies for smart homes are also altering the conventional grids toward smart grids. By combining the key pillars of electric mobility and smart homes, this paper characterizes the paradigms of the electric vehicle (EV) in smart homes, presenting a review about the state of the art and establishing a relation with future perspectives. Since the smart home must be prepared to deal with the necessities of the EV, the analysis of both on board and off board battery charging systems are considered in the paper. Moreover, the in-clusion of renewable energy sources, energy storage systems, and dc electrical appliances in smart homes towards sustainability is also considered in this paper, but framed in the perspective of an EV off board battery charging system. As a pertinent contribution, this paper offers future perspectives for the EV in smart homes, including the possibility of ac, dc, and hybrid smart homes. Covering all of these aspects, exemplificative and key results are presented based on numerical simulations and experimental results obtained with a proof of concept prototype., FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia within the Project Scope: UID/CEC/00319/2019. This work has been supported by the FCT Project newERA4GRIDs PTDC/EEI-EEE/30283/2017, and by the FCT Project DAIPESEV PTDC/EEI-EEE/30382/2017. Tiago Sousa is supported by the doctoral scholarship SFRH/BD/134353/2017 granted by FCT

In this study, hemispheric climatologies of explosive cyclones (ECs) derived using a set of different cyclone detection and tracking methods (CDTMs) are analysed. The aim is to evaluate trends and regional characteristics of ECs discussing consensus and disagreement among methods. Areas of both hemispheres characterised by relatively frequent presence of ECs are considered, with particular emphasis on their extremes. Despite the considerable differences (up to 21-38% in the Northern/Southern Hemisphere) in the total number of ECs detected by the various CDTM, this study provides evidence of a good level of agreement among methods concerning spatial distribution of cyclogenesis, track density, their main characteristics (depth, speed, duration, deepening and normalised deepening rate), seasonality and trends. ECs are shown to be deeper, faster and long-lasting with respect to ordinary cyclones in both hemispheres. Southern Hemisphere ECs are typically more intense than those in Northern Hemisphere. On the other hand, ECs in the Northern Hemisphere are characterised by a stronger deepening rate over 6 h and 24 h than in the Southern Hemisphere. Atlantic ECs are usually faster, deeper and characterised by higher deepening and geostrophically adjusted deepening rate than in the Pacific. This is particularly true in the eastern part of the basin. In both basins, ECs in the western side are characterised by higher normalised deepening rates than in the eastern parts. In the Southern Hemisphere, ECs close to Southern Africa and Australia are usually faster, deeper and with higher deepening rates than those close to southern South America. On the other hand, ECs close to southern South America and Southern Africa are characterised by higher normalised deepening rates and duration with respect to ECs close to Australia.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores, A Qualidade de Energia Elétrica (QEE) tem vindo a receber cada vez mais atenção por parte dos consumidores, operadores de sistemas de distribuição, operadores de sistemas de transmissão e outras entidades competentes relacionadas com o sistema elétrico. Uma vez que os problemas de QEE têm implicações diretas na produtividade empresarial, causando grandes perdas económicas, é mandatório desenvolver soluções que atenuem esses problemas. Os Filtros Ativos de Potência são equipamentos baseados em eletrónica de potência que permitem compensar problemas de QEE e têm a capacidade de ajustar os seus modos de operação, dinamicamente, em resposta às mudanças da carga ou do sistema elétrico. De entre as várias soluções, salienta-se um equipamento especialmente concebido para lidar com problemas relacionados com a forma de onda da tensão do sistema elétrico, o Filtro Ativo Série (FAS). Apesar da sua capacidade para compensar subtensões momentâneas, sobretensões momentâneas, harmónicos de tensão e desequilíbrios de tensão em sistemas trifásicos, o FAS não tem tido muito sucesso e nem tem sido amplamente adotado. A falta de interesse por este equipamento pode ser amplamente justificada pelo alto custo e por algumas limitações da topologia convencional do FAS. Na sua topologia original, o FAS é composto por um conversor CA-CC que se conecta em série com o sistema de potência por meio de transformadores de acoplamento a operar à frequência de rede. O barramento CC do FAS é conectado a uma fonte de alimentação CC que fornece energia para a compensação dos problemas de QEE relacionados com as tensões do sistema elétrico. Nesta dissertação é apresentada uma nova topologia, bem como os algoritmos de controlo de um FAS monofásico sem fontes de energia externas que é ligado diretamente à rede elétrica sem transformador de acoplamento nem fontes externas de energia. A topologia e os algoritmos de controlo descritos nesta dissertação foram primeiramente avaliados por meio dos resultados de simulação obtidos com o software PSIM. Além disso, foi desenvolvido um protótipo laboratorial do qual são apresentados os resultados experimentais para confirmar a viabilidade do FAS. Com esta dissertação, pretende-se contribuir para o desenvolvimento de tecnologia relacionada com os FASs com o intuito de torná-los numa solução eficaz e competitiva num futuro próximo., The Power Quality (PQ) is receiving more and more attention from the part of consumers, distribution system operators, transmission system operators and other competent entities related to the electrical system. Once the electrical PQ problems have direct implications for business productivity, causing high economic losses, it is mandatory to develop solutions that mitigate these problems. Active Power Filters are power electronics-based equipment that can compensate PQ problems and have the ability to adjusting their operation modes dynamically in response to load or power system changes. Among these solutions, exists an equipment specially conceived to deal with problems related to the power system voltage waveform, the Series Active Power Filter (SeAPF). Despite the ability to compensate voltage sags, voltage swells, voltage harmonics, and voltage imbalances in three-phase systems, the SeAPF has not had much success and has not been widely adopted. The lack of interest in this equipment can be largely justified by the high cost and some limitations of the SeAPF traditional topology. In its conventional topology, the SeAPF is composed of an AC-DC power electronic converter that connects in series with the power system by means of grid frequency transformers. The DC-link of the SeAPF is connected to a DC power supply that provides the energy for the compensations of the PQ problems related with the system voltages. In this master thesis is presented a novel topology, as well as the control algorithms, of a single-phase SeAPF that is connected directly to the power grid without coupling transformers and does not require the use of external power sources The topology and the control algorithms of the SeAPF described in this master thesis were firstly evaluated by means of simulations results obtained with PSIM software. A laboratory prototype was developed and some experimental results are presented to confirm the feasibility of the SeAPF. With this master thesis, it is intended to contribute to the development of SeAPFs technology in order to make them an effective solution in the near future., Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) - Projeto de IC&DT “Quality4Power - Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids”, com a referência PTDC/EEI-EEE/28813/2017

Dissertação mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Ao longo dos últimos anos a preocupação com a emissão de gases poluentes para a atmosfera por parte dos veículos movidos a energia de origem fóssil tem crescido. Essa emissão tem diversos efeitos nocivos, por exemplo, o aumento do risco de chuvas ácidas. A preferência por veículos elétricos em detrimento da utilização de veículos movidos a partir de combustíveis fósseis constitui uma alternativa mais sustentável, sobretudo devido ao facto de a propulsão elétrica não emitir quaisquer gases nocivos para a atmosfera. Através da realização deste trabalho almeja-se contribuir para o avanço da tecnologia dos veículos elétricos – esta intenção passa pela atualização tecnológica do Carro Elétrico Plug-In da Universidade do Minho (CEPIUM) ao nível do armazenamento e gestão da energia no seu pack de baterias. Os principais objetivos deste trabalho consistem no estudo, desenvolvimento, implementação, teste e validação de um sistema de gestão de bateria – Battery Management System (BMS) ativo para o CEPIUM e na substituição do pack atual de baterias de ácido-chumbo por um pack de baterias de LiFePO4. No âmbito desta dissertação desenvolveu-se um BMS ativo modular baseado numa arquitetura constituída por um módulo master e vários módulos slave. O módulo master tem como principal função gerir e coordenar o funcionamento dos módulos slave através de um barramento de comunicação diferencial RS-485 half-duplex. A transferência de energia entre células foi implementada com recurso a um conversor CC-CC bidirecional isolado baseado na topologia flyback. O desenvolvimento do BMS implicou, entre outras tarefas, a realização de simulações no software PSIM e o desenho dos esquemas elétricos e do layout das placas de circuito impresso de ambos os módulos. Além disto, procedeu-se à remoção do pack de baterias de ácido-chumbo existente no CEPIUM. O protótipo do BMS foi validado. Recorrendo ao protocolo RS-485, os módulos master e slave foram capazes de comunicar e monitorizar a tensão em cada uma das células e ajustar o fluxo de energia entre elas consoante a existência de desequilíbrios., Over the last few years, concerns about the emission of gaseous pollutants into the atmosphere by fossil-fueled vehicles have grown. This gas emission has several harmful effects, for example, the increased risk of acid rain. The preference for electric vehicles over the usage of fossil-fueled powered vehicles is a more sustainable alternative, mainly because electric propulsion does not release any harmful pollutant into the atmosphere. This work aims to contribute to the advancement of electric vehicle technology – this intention consists on updating the technology of plug-in electric vehicle of University of Minho – Carro Elétrico Plug-In da Universidade do Minho (CEPIUM) in terms of storage and energy management of its battery pack. The main goals of this work are to study, develop, implement, test and validate an active battery management system (BMS) for CEPIUM and replacing the current lead-acid battery pack with a LiFePO4 battery pack. In the scope of this dissertation, a modular active BMS has been developed based on an architecture consisting of a master module and several slave modules. The main purpose of the master module is to manage and coordinate the operation of the slave modules through a half-duplex RS-485 differential communication bus. The energy transference among cells has been implemented using a bidirectional isolated DC-DC converter based on the flyback topology. The development of the BMS implied, among other tasks, the development of simulation models in the PSIM software and the drawing of electrical schematics and layout of the printed circuit boards of both modules. In addition, the pack of lead-acid batteries in CEPIUM has been removed. The prototype has been validated. Using the RS-485 protocol, the master and slave modules have were able to communicate and monitor the voltage on each cell and make adjustments on the energy flow depending on the existence of imbalances., Este trabalho de mestrado está enquadrado no projeto de IC&DT “DAIPESEV – Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/30382/2017.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Através do avanço tecnológico verificado nos últimos anos surgiram as máquinas ferramenta, que proporcionaram uma melhoria e evolução da indústria, possibilitando a execução de tarefas de uma forma muito mais simples e eficiente. O custo inicial destas máquinas supera o custo a qualquer outra máquina ferramenta previamente adquirida, no entanto, o acréscimo de capital investido é normalmente recuperado em pouco tempo. Devido à importância das máquinas ferramenta na indústria, é necessária uma constante atualização das tecnologias, tendo sempre em consideração os padrões atuais de exigência. Tendo em conta a razão referida, é necessário arranjar soluções de requalificação dos equipamentos mais antigos por forma a prolongar o seu tempo de vida útil e a evitar o desperdício de recursos. Isto surte num grande interesse no ponto de vista industrial, proporcionando também uma enorme motivação no ponto de vista académico. Dada a evolução tecnológica na indústria, mais especificamente a rápida evolução dos sistemas de controlo eletrónicos e informáticos, torna-se mais vantajoso a reutilização dos órgãos mecânicos, que têm sofrido uma evolução a um ritmo mais lento. Desta forma acaba por ser quase de caráter obrigatório a requalificação dos circuitos elétricos e eletrónicos deste tipo de equipamentos. O objetivo principal da dissertação é fornecer uma base teórica sobre máquinas ferramentas de controlo numérico, nomeadamente uma fresadora com controlo numérico computorizado, bem como uma fazer uma descrição dos possíveis problemas e das suas respetivas soluções, de forma a contornar o grande problema de invalidez tecnológica. Esta dissertação, numa fase inicial, apresenta uma contextualização do tema em termos históricos, económicos e tecnológicos. Posteriormente, são referenciados todos os diferentes componentes eletrónicos utilizados, bem como o seu funcionamento e papel que desempenha no processo de requalificação de uma máquina ferramenta. De seguida, é apresentada a configuração dos subsistemas, com ênfase no movimento dos motores, sendo apresentados os testes realizados aos diferentes componentes. Por fim, são exibidos os resultados obtidos através da interação do subsistema total, bem como propostas para trabalhos futuros., Through the technological advance verified in the last few years, the machine tools have emerged, hence providing an improvement and evolution of the industry, making it possible to performe a task in a much simpler and efficient way. The initial cost of these machines exceeds the cost to the less technologically advanced machines, however, the increase in invested capital is usually recovered in a short period of time. Due to the importance of the machine tools in the industry, a constant updating of the technologies is necessary, always considering the current standards of requirement. Thus, it is necessary to find solutions to requalify the older equipment, to extend their lifetime and to avoid wasting valuable resources, otherwise these tools will be discarded. This is of great interest from the industry point of view and provides a great academic motivation to further study the subject, since this is an area of great potential. Due to this dependency, it became a necessity to reuse the mechanical components, since it has a slower evolution in relation to the electrical and electronic circuits. Usually it is mandatory an upgrade in the electronic circuits, since this is a cheaper way to bring these tools to current standards. To accomplish with this dissertation one of the main goals comes from acquiring knowledge, knowing the machine and its limitations, so that we can assess and correct them, but also improve the overall result, by adding features found in modern machines. This consists of understanding each component in an individual way and its contribution to the requalification of the equipment. Tests were carried out to materialize all the knowledge acquired. A final test was conducted with the help of sensors and encoders, to verify the synchronous operation of the motors, as well as to use the software GDtool for the control of the motors. Finally, the results and operation of the servomotors was evaluated using the power drive and its selected peripherals and are presented some ideas of future work.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores, A energia elétrica tem um papel extremamente importante no desenvolvimento de uma região, bem como na melhoria da qualidade de vida do ser humano. É assim fundamental eletrificar regiões isoladas e com elevadas taxas de subdesenvolvimento. A eletrificação da grande maioria destas regiões isoladas, passa pela produção local de energia recorrendo a fontes de energia renovável, quer por razões logísticas quer ambientais. Nesta dissertação são apresentados e descritos, os sistemas de eletrónica de potência que permitem implementar uma microrrede isolada com produção a partir de fontes renováveis e capacidade de armazenamento local de energia. O foco principal deste trabalho é o desenvolvimento e validação do sistema responsável pela implementação de uma microrrede isolada monofásica com tensão alternada sinusoidal de 230 V/50 Hz. O desenvolvimento do sistema responsável pela produção e armazenamento de energia encontra-se descrito numa dissertação com o tema complementar, realizada pelo colega de laboratório João Silva. Para a realização da presente dissertação foi necessário o estudo, dimensionamento e implementação do conversor CC-CA de três estágios. Este conversor pode ser dividido num conversor CC-CC em ponte completa isolado de alta frequência do tipo buck e num conversor CC-CA em ponte completa. Para ambos os conversores foi desenvolvido um controlador digital, sendo utilizado um controlador Proporcional Integral no conversor CC-CC e um controlador Preditivo no conversor CC-CA monofásico. Depois de desenvolvido o protótipo do sistema de alimentação da mirorrede isolada, foram realizados alguns ensaios laboratoriais de modo a validar a solução apresentada. Os ensaios realizados, permitiram analisar o comportamento do sistema para três tipos de carga diferentes: carga linear puramente resistiva; carga linear predominantemente indutiva; e carga não linear do tipo retificador com filtro capacitivo. Por último, foram ainda realizados alguns ensaios ao sistema desenvolvido na presente dissertação, interligado com o sistema complementar desenvolvido pelo colega João Silva. Perante os resultados obtidos, foi possível comprovar o conceito e validar o funcionamento do sistema de alimentação da microrrede isolada., Electric power plays an essential role in the development of an isolated rural region, as well as in improving the overall human well-being. Therefore, the electrification of isolated and underdeveloped zones is a matter of extreme importance. Due to either logistic or environmental reasons, in most of these isolated regions, the required electrification involves the local energy production through renewable energy sources. In this dissertation, the power electronics system that allows the implementation of an islanded microgrid with local production and storage of energy is presented and described in detail. The main focus of this work is the development and validation of the power electronics system to implement a single-phase islanded microgrid with 230 V/50 Hz sinusoidal voltage. The electronic system responsible for energy production and storage is being developed within the dissertation work of the classmate João Silva. In order to complete this dissertation, it was required to study, sizing and implement a three-stage DC-AC converter. This converter is composed of a high-frequency isolated buck type full-bridge DC-DC converter and of a single-phase full-bridge DC-AC converter. A digital controller was developed for both converters, namely a Proportional Integral in the case of the DC-DC converter and a Predictive Deadbeat in the case of the DC-AC converter. After the development of the islanded microgrid power system prototype, some laboratorial tests were carried out to analyze the response of the presented solution. The elaborated tests allowed the analysis of the converters toward three different loads: a purely resistive linear load; a predominantly inductive linear load; and a rectifier with capacitive filter nonlinear load. Finally, a few tests were done on the system developed in the presented dissertation combined with the complementary system developed by João Silva. Concerning the final results, it was possible to prove the concept and to validate the operation of the islanded microgrid power system.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Atualmente, grande parte dos equipamentos eletrónicos utilizados comportam-se como cargas não-lineares. Contudo, este tipo de cargas consomem correntes não sinusoidais, contaminando a rede elétrica com harmónicas de corrente. A presença das harmónicas na rede elétrica resulta num aumento das perdas relacionadas com o transporte e distribuição de energia elétrica, bem como numa degradação do funcionamento da maior parte dos equipamentos ligados à rede elétrica, principalmente os mais sensíveis. Estes problemas da Qualidade de Energia Elétrica (QEE) resultam em prejuízos económicos elevados, e por este motivo, o desenvolvimento de equipamentos que os possam mitigar é um assunto de extrema importância. No âmbito da investigação que tem vindo a ser realizada pelo Grupo de Eletrónica de Potência e Energia da Universidade do Minho (GEPE-UM) na área da Qualidade de Energia Elétrica, tem sido desenvolvido Filtros Ativos de Potência Paralelos. Assim, esta dissertação visa a conceção e desenvolvimento de um Filtro Ativo de Potência Paralelo Monofásico baseado num conversor fonte de corrente com barramento CC reduzido. Este equipamento é capaz de corrigir o fator de potência e compensar as harmónicas de corrente, originadas por cargas não-lineares. Os conversores fonte de corrente apresentam como principais vantagens a proteção intrínseca contra curto-circuitos e o facto da bobina utilizada no barramento CC ter um tempo de vida superior comparativamente aos elementos armazenadores utilizados nos conversores fonte de tensão, que são geralmente condensadores eletrolíticos. Contudo, a utilização de uma bobina no barramento CC não traz só vantagens, uma vez que para este tipo de filtros ativos é necessária uma bobina com valor de indutância muito elevado. Isto traduz-se num componente com volume, peso e um custo elevado. Pretende-se assim mitigar este problema adotando uma topologia de filtro ativo de potência paralelo com conversor fonte de corrente, com um barramento CC modificado que permita a redução do valor de indutância da bobina o que pode resultar numa minimização de custos, perdas e ainda tornar o filtro ativo de potência o mais compacto possível., Currently, most of the used electronic equipments behave as non-linear loads. However, this type of loads consume non-sinusoidal currents, contaminating the power grid with current harmonics. The presence of harmonics in the power grid results in an increase in losses related to the transportation and distribution of electric energy, as well as in a degradation in the operation of most of the equipment connected to the power grid, especially the most sensitive ones. These Power Quality (PQ) problems result in high economic losses and, for this reason, the development of equipment that can mitigate them is a matter of extreme importance. As part of the research carried out by the Group of Energy and Power Electronics of the University of Minho (GEPE-UM) in the area of Electric PQ, shunt active power filters have been developed. Thus, this dissertation aims at the design and development of a single phase shunt active power filter based on a current source converter with reduced DC bus. This equipment can compensate the power factor and the current harmonics, caused by non-linear loads. Current source converters have the main advantages of intrinsic protection against short circuits and the fact that the inductor used in the DC bus has a longer life compared to the voltage source converters, whose storage elements used are usually electrolytic capacitors. However, the use of an inductor in the DC bus does not present only advantages, since an inductor with a very high inductance value is required for this type of active power filters. This translates into a component with a high volume, weight and cost. In this dissertation, it is intended to mitigate this problem by adopting a current source converter shunt active power filter topology, with a modified DC bus that allows the reduction of the inductance value, resulting in cost and losses minimization, and still make the active power filter as compact as possible., Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “Quality4Power - Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/28813/2017

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores, O aproveitamento da energia elétrica e, consequentemente, a rentabilidade do consumo da mesma têm sido alvo de estudo nos últimos anos. Tal preocupação deve-se à abundância de equipamentos eletrónicos no mercado, cuja ligação é a principal causa da introdução de conteúdo harmónico na rede elétrica, provocando a distorção das formas de onda da tensão e outros problemas associados. Atualmente, existem várias soluções que contribuem para atenuar estes fenómenos, de forma a proporcionar uma boa qualidade de energia elétrica (QEE) aos consumidores e aos fornecedores. Deste modo, pretendeu-se com este trabalho de dissertação desenvolver um filtro ativo de potência paralelo (FAP) monofásico, capaz de compensar os harmónicos de corrente e corrigir o fator de potência de uma instalação elétrica monofásica, utilizando um conversor de 5 níveis. Para tal, teve-se em consideração o conversor de potência com uma topologia multinível adequada e o sistema de controlo necessário à operação como FAP, os quais foram validados com diferentes tipos de cargas. Além disso, a utilização de uma topologia multinível teve como intuito aumentar a eficiência e o desempenho do FAP na melhoria da QEE, tendo em conta as inúmeras vantagens destas topologias. Quanto ao funcionamento do sistema de controlo, foi necessário determinar corretamente a corrente de compensação adequada em cada instante, bem como controlar a comutação dos semicondutores de potência para a sintetização dessa corrente e efetuar a regulação equilibrada das tensões nos condensadores do barramento CC. Estas etapas, que englobam o foco do tema da dissertação proposta, envolveram o estudo teórico e um levantamento bibliográfico para execução de testes de simulação, sendo o trabalho completado com a validação experimental do desempenho do FAP implementado., The proper use of electrical energy and, consequently, the rentability of the consumption of the same have been a subject of study in recent years. Such concern is due to the abundance of electronic equipment in the market, whose connection to the power grid is the main cause of introduction of harmonic content in the grid that causes distortion in the voltage waveforms and other associated problems. Currently, there are several solutions that contribute to mitigate these phenomena, in order to provide a good electrical power quality (EPQ) to the consumers and suppliers. Thereby in this master thesis it was intended to develop a single-phase shunt active power filter (SAPF) capable of compensating the current harmonics and correcting the power factor of a single-phase electrical installation, using a 5-level converter. To achieve this, a power converter with a suitable multilevel topology and the control system to operate as a SAPF were considered and validated with different loads. Furthermore, the use of a multilevel topology was intended to increase the efficiency of the SAPF in the optimization of the EPQ, considering the numerous advantages of these topologies. Regarding the control system operation, it was necessary to correctly calculate the compensation current in each sampling instant, as well as to control the switching of the power semiconductors for the synthesis of that current and to perform a balanced regulation of the voltages in the DC bus capacitors. These steps, which incorporate the focus of the proposed master thesis theme, involved a theoretical bibliographic study for the execution of the simulation tests and, finally, concluding with the validation of the single-phase SAPF performance at the experimental level.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores, A tendência crescente nas necessidades de energia elétrica e o aumento dos preços dos combustíveis fósseis estimularam a procura e a investigação de novas técnicas de produção de eletricidade baseadas em fontes renováveis. Vários países europeus têm vindo a estabelecer metas relacionadas com o aumento da frota de veículos elétricos e a diminuição do uso de combustíveis fósseis. Estas medidas levarão naturalmente a uma maior necessidade de energia elétrica, e a melhor forma de a colmatar, é pelo recurso a fontes de energias renováveis. Estas fontes de energia advêm de diferentes recursos naturais como o vento, a água e o sol, apresentando-se como uma maneira viável de produção de eletricidade ecologicamente sustentável. No âmbito desta dissertação pretende-se explorar o vento para a produção de energia elétrica, que é injetada na rede publica de forma otimizada. Assim, esta dissertação visa a conceção e o desenvolvimento de um conversor de eletrónica de potência trifásico, para fazer a interface entre uma unidade microeólica, equipada com um gerador síncrono de ímanes permanentes, e a rede elétrica. O conversor de potência extraí a máxima potência possível a cada instante, recorrendo para isso a um algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) e injeta a energia na rede elétrica com correntes sinusoidais, em fase com a tensão da rede elétrica e com baixo conteúdo harmónico., The growing trend of electricity needs and rising fossil fuel prices stimulated the demand and the research for new electricity production techniques based on renewable sources. Several European countries have set targets related to the increase in the fleet of electric vehicles and the reduction of the use of fossil fuels. These actions will naturally lead to a greater need for electricity, and the best way to reach it, is by the recourse to recourse to renewable energy sources. These sources of energy come from different natural resources such as wind, water and sun, presenting themselves as a viable way to produce ecologically sustainable electricity. In the scope of this dissertation it is intended to explore the wind to produce electric energy, which is injected into the power grid in an optimized way. Thus, this work relates to the design and development of a three-phase power electronics converter, to interface a micro wind turbine, equipped with a permanent magnet synchronous generator, and the power grid. The power converter extracts the maximum possible power at any moment, using a MPTT (Maximum Power Point Tracking) algorithm and inject the power in the power grid with sinusoidal currents, in phase with power grid voltage and low harmonic distortion.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores, Currently, an increasing bet in electric mobility has been made, particularly in electric vehicles (EV) and plug-in hybrid vehicles (PHEV). However, in addition to the high initial costs, the EVs feature a very low autonomy when compared with a traditional car. By charging the batteries of the EV using a renewable energy source, it is possible to make the system virtually emissions-free, since the production of electric power, as well as inexhaustible, is made without the use of fossil fuels (e.g. natural gas and coal). In addition, the benefits to the economy of the country are also evident, since we are contributing to the decrease of importing costs of these fossil fuels. As such, the main objective of this dissertation is the development and implementation of an integrated bi-directional converter (DC-DC and DC-AC) in order to connect an array of photovoltaic panels to the battery pack of an EV and to the power grid. In conventional systems, the electrical energy produced by the photovoltaic panels is injected into the grid and the batteries are charged from the grid. The aim is to develop a more efficient charging method which consists in charging the batteries directly from the PV panels. In this way it is possible to avoid the losses associated with the conversion of energy. The converter will allow the charging of the EV’s batteries directly from the PV panel, that is, without making DC-AC and AC-DC conversions, ensuring that the surplus energy is injected into the power grid. On the other hand, if the solar energy absorbed by the PV panel is insufficient to charge the batteries, the rest of the power needed to charge the batteries will be drawn from the grid. Naturally, if the batteries of the EV are already charged or no EV is connected to the system, all of the energy extracted from the PV panel will be injected into the power grid. Finally, the batteries will be able to deliver part of their stored energy to the power grid., Atualmente, tem vindo a ser feita uma aposta crescente na mobilidade elétrica, nomeadamente nos veículos elétricos (VE) e nos veículos híbridos Plug-in (PHEV). Contudo, para além do custo inicial elevado, os VEs apresentam uma autonomia muito baixa quando comparados com um automóvel tradicional. Ao carregar as baterias do VE através de uma fonte de energia renovável, é possível tornar o sistema virtualmente livre de emissões, uma vez que a produção de energia elétrica, para além de inesgotável, é feita sem o uso de combustíveis fósseis (e.g. gás natural e carvão). Para além disso, as vantagens para a economia do País também são evidentes, uma vez que estamos a contribuir para a diminuição dos gastos na importação dos referidos combustíveis fósseis. O objetivo principal desta dissertação é o desenvolvimento e implementação de um conversor integrado bidirecional (CC-CC e CC-CA) de modo a ligar um array de painéis fotovoltaicos ao pack de baterias de um VE e à rede elétrica. Nos sistemas de carregamento convencionais, a energia elétrica produzida pelos painéis fotovoltaicos é injetada na rede elétrica e as baterias são carregadas a partir da rede. Pretende-se desenvolver um método de carregamento mais eficiente que consiste em carregar as baterias do VE diretamente dos painéis fotovoltaicos. Deste modo, evitam-se as perdas associadas à conversão de energia. O conversor permitirá que as baterias do VE sejam carregadas diretamente do painel fotovoltaico, isto é, sem proceder a conversões de CC-CA e CA-CC, assegurando que a energia excedente é injetada na rede elétrica. Caso a energia solar absorvida pelo painel fotovoltaico seja insuficiente para fazer o carregamento das baterias, estas serão carregadas a partir da rede elétrica. Naturalmente, caso as baterias do VE já se encontrem carregadas ou nenhum VE se encontre ligado ao sistema, toda a energia extraída do painel fotovoltaico será injetada na rede elétrica. Finalmente, as baterias serão capazes de devolver parte da sua energia armazenada à rede elétrica.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores, Atualmente, a energia elétrica é um bem essencial para o dia-a-dia de um ser humano. Para se poder usufruir desta forma de energia é necessário encontrar fontes capazes de a fornecer, estando estas, inicialmente muito dependentes de combustíveis fósseis. Uma vez que estes processos de extração de energia são extremamente poluentes, opta-se, cada vez mais, pela utilização de fontes mais limpas e com um tempo de reposição mais curto, tais como o Sol, o vento, o calor interno da Terra e a biomassa, sendo esta última não tão “limpa”, visto que também emite gases para a atmosfera. De entre estas, a energia eólica é a que tem ganho mais destaque ultimamente, ficando apenas atrás dos combustíveis fósseis e da hídrica em termos de capacidade mundial de produção de energia elétrica total instalada. Nesta dissertação é descrito o desenvolvimento da eletrónica de potência necessária para criar uma microrrede elétrica isolada através de uma microturbina eólica. O sistema desenvolvido é capaz de extrair a potência máxima que a turbina consegue produzir a cada instante e criar uma rede isolada monofásica com o mínimo de conteúdo harmónico. Neste documento são apresentados alguns conceitos teóricos sobre turbinas eólicas, tais como os tipos existentes e os componentes que incorporam uma turbina eólica de eixo horizontal. Para além disso, são introduzidos alguns dos algoritmos MPPT (Maximum Power Point Tracking) usados para extração da máxima potência e explicado o algoritmo de controlo preditivo implementado no inversor, isto é, o Predictive Deadbeat. Após a introdução teórica é descrito o processo de modelação dos conversores em ambiente de simulação PSIM, permitindo perceber melhor o comportamento do próprio sistema e identificar potenciais problemas que poderiam aparecer após a implementação em hardware. Finalmente, é destacado o hardware utilizado para a implementação do sistema e são aferidos os resultados obtidos durante os testes feitos ao sistema., Nowadays, electric energy is a relevant resource for the daily life of a human being. To be able to use such an energy, it is necessary to find sources capable of providing it, being the first ones the fossil fuels. Since the energy extraction from fossil fuels are extremely pollutants and the stock is becoming more limited, renewable energy sources like solar, wind and biomass, are getting increasingly appealing. Between all these sources, the wind energy is gaining a lot of attention lately, being only below the fossil fuels and hydric energy in terms of worldwide electric energy production capacity installed. This dissertation describes the development of power electronics needed to create an islanded electric micro grid with a micro wind turbine. The system can extract the maximum power that a wind turbine can produce and create an islanded single-phase power grid with low harmonic distortion. In this document are presented some theoretical concepts about wind turbines, like the types that exist and the components that incorporate a horizontal axis wind turbine. Furthermore, some MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithms used to extract the maximum power are introduced and the Predictive Deadbeat control implemented in the power electronics explained. After that, the models of power converters are firstly simulated in PSIM software, giving a better understanding of the system behaviour, and identifying problems that could appear after the hardware implementation. Finally, a laboratory prototype of the proposed system is developed and the experimental results obtained are presented and discussed.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Desde os tempos remotos da sua história o homem sentiu necessidade de desenvolver e aperfeiçoar meios de transporte para uma maior segurança, conforto e diminuição do tempo de viagem. No entanto, esta evolução levou a que os mesmos se tornassem nas maiores fontes de libertação de poluentes atmosféricos que, por conseguinte, causam o aquecimento global. Nas grandes metrópoles dos países desenvolvidos, medidas têm vindo a ser implementadas de modo a reduzir tanto o número de veículos que nelas circulam assim como o grau de poluição que esses meios acarretam para o ambiente. Deste modo, a necessidade de criar uma alternativa séria, que vise substituir os veículos movidos a combustíveis fósseis, e viável a curto prazo, torna-se mais evidente. No Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho, tem-se apostado no programa da mobilidade elétrica, e é nesse âmbito que foi proposto o desenvolvimento de uma bicicleta elétrica que tenha várias funcionalidades de acordo com o desejo do utilizador. Nesta Dissertação de Mestrado, foram estudados o motor de corrente contínua (CC) e o motor Brushless Direct Current (BLDC), as duas soluções mais utilizadas no mercado para aplicações de bicicletas elétricas, concluindo-se que o motor BLDC apresenta mais vantagens em relação àquilo que é o conceito de bicicleta elétrica. No que diz respeito às simulações computacionais, estas permitiram a validação dos algoritmos propostos e estudar o comportamento do motor BLDC sob diferentes condições e parâmetros. Com esse objetivo, foram simulados controlos de velocidade, binário e métodos de travagem regenerativa, assim como sistemas de proteção da bateria elétrica. Relativamente à implementação, foi desenvolvido hardware que visou a validação dos algoritmos que foram propostos e simulados nesta Dissertação de Mestrado, sendo que ficou comprovado com sucesso, através de resultados experimentais presentes neste documento, o controlo de binário e método travagem regenerativa propostos., Since ancient times in its history the man felt the need to develop and improve transport for greater safety, comfort and reduced travel time. However, this development led to the same becoming the largest source of release of pollutants, consequently causing global warming. In the large cities of developed countries, measures have been implemented in order to reduce the number of vehicles circulating in them and the degree of pollution that these means entail for the environment. Thus, the need to create a serious alternative, which aims to replace vehicles powered by fossil fuels, and feasible in the short term, becomes more evident. In the Group of Energy and Power Electronics (GEPE) of the University of Minho, research has been done in the electric mobility program, and in this context it was proposed the development of an electric bicycle that has several features according to the desire of the user. In the scope of this Master Thesis, the direct current (DC) motor and the Brushless DC (BLDC) motor were studied, being the most attractive solutions for electric bicycle applications. It was concluded that the BLDC motor is advantageous over the DC motor in the referred context. Concerning the computational simulations, these ones allowed the proposed algorithms validation and the study of the BLDC motor under different parameters and operating conditions. With this purpose, speed control, torque control and regenerative braking systems were simulated, as well as protection circuits for the electric battery. Regarding the implementation, hardware was developed that validated the proposed and simulated algorithms for this Master Thesis work. The proposed torque control and regenerative braking system were successfully validated through experimental results presented in this document.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Nos últimos séculos, tem-se assistido a uma crescente procura e exploração de combustíveis fósseis com o intuito de saciar as necessidades energéticas da sociedade. O aumento populacional aliado à revolução industrial, iniciada no princípio do século XIX, levou a uma frenética exploração das fontes de energia causando danos ambientais irreparáveis. Esta tendência necessita de ser controlada de modo a permitir um desenvolvimento sustentável. Como tal, é urgente encontrar um modo de contornar as desvantagens inerentes ao uso dos combustíveis fósseis, surgindo assim as energias renováveis, como é o caso da energia solar fotovoltaica. Contudo, de forma a possibilitar a integração de fontes de energia renovável na rede elétrica, existe uma necessidade de mudar o paradigma energético, tornando-se evidente o papel crucial que as tecnologias de armazenamento de energia irão desempenhar. Desta forma, no presente documento de dissertação é descrito o Desenvolvimento de um Microinversor com Armazenamento Local de Energia para Aplicações Solares Fotovoltaicas, bem como todas as etapas inerentes à conceção deste projeto. Um microinversor é um dispositivo de eletrónica de potência que permite a interface de uma fonte de energia renovável, e.g., módulo solar fotovoltaico, com a rede elétrica, tendo como principal característica a possibilidade de extrair, de uma forma independente, a máxima potência disponível em cada módulo. Para a conceção do microinversor, é apresentada uma topologia inovadora para o conversor CC-CC que permite a interface de um módulo fotovoltaico com um banco de baterias e com o barramento CC, com apenas dois MOSFETs. No sistema de controlo do conversor CC-CC, encontra-se incluído um algoritmo de MPPT, que fará com que a sua operação se dê sempre no ponto de máxima potência do módulo, e um algoritmo responsável pelo carregamento adequado das baterias. Por sua vez, este é seguido de um conversor CC-CA, que tem como finalidade a sintetização de uma corrente sinusoidal para injetar a energia produzida na rede elétrica. Para a realização deste projeto de dissertação foi necessário o estudo, dimensionamento e implementação de todo o hardware que constitui o microinversor apresentado, desde os circuitos de condicionamento de sinal dos diversos sensores utilizados, passando pelos circuitos lógicos do sistema digital de controlo, até aos circuitos de potência, incluindo os elementos magnéticos alta-frequência. De igual modo, foi realizado um estudo e consequente desenvolvimento de todos os algoritmos de controlo necessários para a implementação deste projeto., In the past few centuries, it has been seen a huge fossil fuels exploration aiming to satisfy society’s energetic needs. The population growth combined with industrial revolution, started in the beginning of the XIX century, led to a frenetic exploitation of energy sources causing irreparable environmental damage. This trend needs to be controlled in order to generate sustainable development. Therefore, it’s urgent to find a way to avoid the inherent disadvantages of fossil fuels. For that, renewable energy sources, like solar photovoltaic energy, appear as valid solution. However, in order to enable the integration of renewable energy sources into the grid, it is required to change the energy paradigm, which will evidence the crucial role that energy storage technologies will play. Thus, in the present master dissertation document is described the development of a micro-inverter with local energy storage for solar photovoltaic applications, as well as all the intrinsic stages to this project’s conception. A micro-inverter is a power electronics device which allows a renewable energy source interface, e.g., photovoltaic panel, with the power grid. The main feature of this device is the capability to extract, in an independent way, the maximum power available of each solar photovoltaic module. For the micro-inverter’s assembly, an innovative topology for the DC-DC converter is presented. This provides an interface of a photovoltaic module with a battery bank and the DC bus, with only two MOSFETs. A MPPT algorithm is included in the DC-DC converter, which will make it operate in the module’s maximum power point the entire time, and a battery charging algorithm. This converter is followed by a DC-AC converter, whose purpose is to synthesize a sinusoidal current and inject the produced energy in the power grid. In order to carry out this dissertation project, it was necessary to study, design and implement all the presented topology’s hardware, passing through the logic circuits of signal conditioning, to the power hardware, that include the magnetic circuits of high frequency. Likewise, a study of the control algorithms necessary for the integration of this project was carried out.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores, A exigência na qualidade da forma de onda sintetizada pelos inversores de eletrónica de potência é cada vez maior, estando esta qualidade associada a um melhor funcionamento e a um maior tempo de vida por parte das cargas e sistemas associados aos inversores. A melhoria na qualidade das formas de onda geradas pelos inversores tem sido conseguida maioritariamente através do aumento da frequência de comutação dos semicondutores. Esta estratégia provoca perdas de comutação mais elevadas, maior stress aplicado ao semicondutor e um aumento das interferências eletromagnéticas. Outro método que começa a ser utilizado para melhorar a qualidade das formas de onda dos inversores é o aumento do número de níveis na forma de onda gerada à saída. Este método utiliza inversores com topologias multinível, podendo aumentar a qualidade das formas de onda produzidas sem as desvantagens da utilização de uma frequência de comutação muito alta. Inicialmente o uso dos inversores multinível era limitado a aplicações de tensões muito elevadas, devido ao custo elevado dos semicondutores e ao baixo poder de processamento dos controladores digitais existentes. Com a evolução das tecnologias é cada vez mais viável a utilização deste tipo de topologias em aplicações de baixa tensão que necessitam de uma foram de onda com uma distorção mínima. Esta dissertação de mestrado visa o desenvolvimento de um inversor multinível monofásico para uma aplicação de baixa tensão, atribuindo maior foco à qualidade da forma de onda a sintetizar. Para tal, foi escolhida uma aplicação de Qualidade de Energia Elétrica (QEE) nomeadamente um Filtro Ativo de Potência Paralelo (FAPP). A efetividade da compensação por parte do FAPP depende muito da qualidade das correntes sintetizadas. Sendo assim, o principal objetivo é a sintetização de correntes de compensação com elevada qualidade e com baixo ripple. Para tal, foi utilizada uma topologia de cinco níveis, cuja diferença de tensão entre níveis é menor quando comparada com um inversor convencional de 2 níveis, reduzindo assim o ripple da corrente produzida sem necessidade de aumentar os filtros passivos de saída. No decorrer deste trabalho foi realizado um estudo bibliográfico sobre inversores multinível e filtros ativos de potência. Posteriormente, foram realizadas simulações computacionais para validar a topologia a implementar. Por último, foi desenvolvido um protótipo laboratorial e foram realizados testes práticos com diferentes cargas, para comprovar o funcionamento adequado do FAPP., The quality requirements of the signals synthesized by power inverters are increasing, being this quality associated to a better performance and longer lifetime of the loads and systems related to the inverters. The improvement in the quality of the inverters signal has been achieved by increasing the switching frequency. This strategy leads to high losses, greater stress applied to semiconductor and an increase of electromagnetic interference. Another method that is beginning to be used to improve the quality of the signals produced by power inverters is the increase in the number of levels of the output signals. This method uses inverters with multilevel topologies, allowing increase the quality of the produced signals without the disadvantages of the very high switching frequency. Initially the use of multilevel inverters was limited to high power applications, due to the high cost of semiconductors and low processing power of digital controllers. With the evolution of technologies, the use of multilevel topologies turns out to be more reliable in low voltage applications requiring signals with very low distortion. This dissertation aims at the development of a single-phase multilevel inverter for low-voltage application, giving greater focus to the quality of the synthesized signals. So, a power quality application was chosen, more precisely a Shunt Active Power Filter (SAPF). The effectiveness of a SAPF depends on the quality of the synthesized high quality and low ripple. To accomplish with this requirements, a five-level topology was selected, whose voltage difference between levels is less when compared to a conventional two level inverter, thus reducing the ripple without increasing the output passive filters. Along the work, a bibliographical study on multilevel inverters and active power filters was done. Later, simulations were performed to validate the topology, in order to proceed to its implementation. Finally, a laboratorial prototype has been developed and practical tests were carried out with different loads, to demonstrate the SAPF proper operation.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores, A crescente motivação para a utilização de fontes de energias renováveis prende-se essencialmente com a redução das emissões de CO2 e com a melhoria da qualidade de vida da humanidade. Isto é especialmente verdade em comunidades pequenas, isoladas e autónomas, onde o acesso a fontes de energia renováveis é a única solução para satisfazer as suas necessidades energéticas. Nesta dissertação são estudados os sistemas de eletrónica de potência e os restantes constituintes de uma microrrede que permitem o funcionamento de um Centro Social Sustentável numa aldeia rural isolada, sem ligação a uma rede de energia elétrica. Estes incluem a produção de energia elétrica por fontes renováveis e por um motor-gerador (a biodiesel), um sistema de armazenamento de energia, e um conjunto de cargas locais. Especificamente, nesta dissertação é desenvolvido o sistema de alimentação da microrrede isolada. Este sistema é constituído por um conversor de potência CC-CA de três estágios que pode ser dividido num conversor CC-CC em ponte completa isolado de alta-frequência do tipo buck, controlado a MOSFETs e por um conversor CC-CA em ponte completa controlado a IGBTs. O sistema de controlo dos conversores é completamente digital e tem por base o DSC TMS320F28335 da Texas Instruments. Para validar a solução apresentada, foi desenvolvido um protótipo do sistema que engloba os dois conversores mencionados. Posteriormente, foram realizados diversos testes experimentais em ambiente laboratorial ao protótipo implementado. Este foi testado com uma tensão de entrada de 30 V que foi elevada para uma tensão constante de 160 V por intermédio do conversor CC-CC. Esta tensão retificada é posteriormente convertida para uma tensão sinusoidal de 132 V de pico a uma frequência de 50 Hz, através do inversor monofásico. Nestas condições, foi comprovado o conceito e validado o funcionamento do sistema de alimentação da microrrede isolada. Ao mesmo tempo, os resultados obtidos permitiram validar tanto o bom funcionamento do controlador proporcional-integral aplicado ao conversor CC-CC, como o controlador preditivo deadbeat aplicado ao conversor CC-CA., The increasing motivation for the use of renewable energy sources is mainly due to the reduction of CO2 emissions and to the improvement of mankind life quality. This is particularly true in small, isolated and standalone communities, where the access to renewable energy sources may be the only solution to meet their energy needs. This master thesis aims to study the power electronic systems that allow the operation of a sustainable Social Centre in an islanded rural village without connection to a main power grid. These include the production of electricity from renewable sources and a motorgenerator set (biodiesel), an energy storage system, and a local power supply. Specifically in this work, the developed power converter needed for the microgrid power system is a three stage DC-AC converter. This power converter can be separated into a DC-DC full-bridge high-frequency isolated MOSFET-based converter and a DC-AC full-bridge IGBT-based converter. The control system is fully digital and implemented using the Texas Instruments microcontroller DSC TMS320F28335. In order to validate the presented solution was developed a prototype of the microgrid power system constituted by the converters mentioned and several experimental tests were carried out in laboratory environment. The developed prototype was tested with a 30 V DC input voltage which resulted in a constant 160 V DC voltage controlled by the DC-DC MOSFET-based converter. This rectified voltage is then converted to a sinusoidal wave with 132 V of peak at 50 Hz frequency by the single-phase inverter. Under these conditions, the concept has been proven and the proper functioning of the island microgrid power system was validated. At the same time, the obtained results allowed to validate not only the proper functioning of the proportional integral controller applied to the DC-DC converter but also the deadbeat predictive controller applied to the DC-AC converter.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, O uso de energia elétrica é cada vez mais inevitável na realização das tarefas mais importantes ou rotineiras do dia-a-dia da maioria das pessoas. Para colmatar o aumento da demanda de energia elétrica, evitando problemas ambientais, tem-se vindo a apostar, cada vez mais, na produção de energia elétrica a partir de fontes de energia renovável. No entanto, algumas fontes de energia renovável, nomeadamente a solar e a eólica, apresentam como desvantagem a intermitência na produção. Além disso, esta situação é ainda mais agravada devido ao facto de os períodos de maior produção dessas fontes de energia renovável coincidirem, na maioria dos casos, com os períodos de menor procura de energia elétrica. Apesar da existência de incentivos para o consumo da energia elétrica nos períodos em que a procura é mais baixa, na maioria dos casos, isso não é praticável. Assim, para reforçar a utilização das fontes de energia renovável e o aproveitamento dos incentivos referentes aos períodos de menor procura, surgem novas oportunidades relativas à evolução dos sistemas de armazenamento e gestão da energia elétrica. Apesar dos sistemas Load-Shift poderem ser associados a vários conceitos distintos, a sua principal função consiste no armazenamento de energia em períodos de menor demanda e posterior utilização em momentos de maior demanda. Para tal, um sistema Load-Shift tem de ser capaz de converter os níveis de tensão da rede elétrica para os níveis de tensão do sistema de armazenamento e posteriormente permitir a conversão inversa, ou seja, adaptar os níveis de tensão do sistema armazenador para os níveis de tensão da rede elétrica. Neste sentido, a presente dissertação de mestrado foca-se no desenvolvimento de um conversor CC-CC bidirecional isolado, cuja principal função é gerir o carregamento e descarregamento das baterias eletroquímicas num sistema de Load-Shift. O trabalho desenvolvido está centrado num conversor CC-CC dual active bridge, onde foram abordadas e implementadas quatro técnicas de controlo distintas. Ao longo do desenvolvimento deste trabalho foi possível validar a topologia de conversor CC-CC bidirecional isolado, bem como as quatro técnicas phase shift abordadas para o sistema de controlo. Para estas técnicas de controlo foi estabelecida, através de resultados de simulação e resultados experimentais, uma comparação quanto às vantagens e desvantagens de cada uma delas, e performance de operação., Today, the use of electric energy is becoming more inevitable to perform the most common or important tasks. This situation leads to potential environmental problems and for that reason of renewable energy sources have been more and more used. However, some of these renewable energy sources, namely solar energy and wind energy, have the disadvantage of intermittent energy production throughout the day. Furthermore, in most cases, the periods of most energy production from renewable energy sources coincides with the periods of low demand of electrical energy, which aggravates the situation. Although of the existence of incentives to use electrical energy in periods of low demand, in most cases, this is not practicable. Thus, both to reinforce renewable energy use or to benefit from the incentives for using it in the periods of lower demand, emerge new opportunities related with storage and management systems for electrical energy. Although the Load-Shift systems can be associated for a variety of concepts, their main goal is the energy storage for a future use. Therefore, a Load-Shift system must be able to adapt the voltage level from the power grid to the voltage levels of the storage system, and allow the reverse operation, i.e., adapt the voltage levels from the storage system to the voltage levels of power grid. This Master thesis focuses on the development of a bidirectional isolated DC-DC converter, whose main function is to manage the charging and discharging of electrochemical batteries in a Load-Shift system. This work is centered in a DC-DC dual active bridge converter, in which were studied and implemented four different phase shift control techniques. During this work, it was possible to validate the topology of the isolated bidirectional DC-DC converter, as well as the four phase shift studied control techniques. For these four control techniques it was established a comparison in terms of advantages and disadvantages and operation performance, through simulation and experimental results.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores, A energia elétrica é um bem essencial para a evolução da indústria e consequentemente para o desenvolvimento de um país. Assim sendo, como consequência da necessidade de desenvolvimento dos países, as necessidades de energia elétrica têm aumentado muito nos últimos anos. Atualmente grande parte da energia é obtida a partir de combustíveis fósseis, os quais durante o processo de transformação provocam grandes níveis de poluição. Dessa poluição, um dos problemas mais visíveis é o aumento de CO2 na atmosfera, o que resulta em alterações climáticas. Para combater os efeitos nefastos da utilização de combustíveis fosseis, e dar resposta à procura cada vez maior de energia elétrica, é necessário apostar na produção deste bem essencial a partir de fontes renováveis. Para obter melhorias ambientais a nível global será necessário uma grande disseminação da utilização de energia de fontes renováveis. No sentido de contribuir para a disseminação e para o melhoramento da tecnologia que permita aumentar a produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis, esta dissertação versa sobre o desenvolvimento de um sistema microeólico para uma rede elétrica isolada. Este sistema deve permitir a extração otimizada da energia de uma turbina microeólica para alimentar um conjunto de recetores de forma ininterrupta e com boa qualidade de energia. Sendo para isso necessário que a energia elétrica produzida em excesso durante certos períodos seja armazenada em baterias, para tornar possível alimentar as cargas mais prioritárias mesmo na ausência de vento. Dos diversos geradores eólicos estudados, para o sistema proposto foi escolhido o gerador síncrono de ímanes permanentes. A topologia dos conversores de potência é composta por um retificador trifásico, um conversor CC/CC ponte completa do tipo buck que otimiza a extração de energia da turbina microeólica e gere o carregamento das baterias e um inversor monofásico que produz uma tensão alternada sinusoidal com a frequência e amplitude pretendidas. Durante a dissertação foram desenvolvidos modelos computacionais e efetuadas simulações do sistema descrito, para validar o funcionamento das topologias dos conversores de potência e dos algoritmos de controlo desenvolvidos. Foi também construído um protótipo laboratorial do sistema com a topologia proposta e foram realizados diversos ensaios para aferir o desempenho do sistema., Electric energy is an essential resource to the industrial activity and, consequently, to the development of a country. Considering that development and energy consumption are linked, the energy needs have risen in the last few years in several world countries. Today, most of the electric energy is produced resorting to fossil fuels, which results in high levels of pollution. The most visible problem caused by the use of fossil fuels is the increase in CO2 in the atmosphere, which results in the climate change. To reduce the harmful effects caused by the use of fossil fuels, and to answer the increasingly electric energy needs, it is necessary to invest in the production using renewable sources of energy. To produce global environmental improvements it will be necessary to disseminate the use of renewable sources of energy. To contribute to the dissemination and improvement of the technology that allows a growth in the production of electric energy originated from renewable sources, this MSc dissertation focuses in the development of a micro wind generator system for an isolated grid. This system must allow the optimized extraction of energy from a micro wind turbine to supply a group of receptors, uninterruptedly, and with high levels of power quality. To achieve this, it is necessary that the surplus of electric energy produced during certain periods of time is stored in batteries, making it possible to supply priority loads in the absence of wind. From the several equated wind turbine generators, it was proposed a permanent magnet synchronous generator for the system. The proposed topology is composed by a three-phase rectifier, a DC/DC full-bridge buck type converter which optimizes the extraction of energy from the micro wind turbine and manages the charging process of the batteries, and a single phase inverter that produces a sinusoidal alternated voltage with the required amplitude and frequency. During this MSc dissertation, were developed computational models and were performed simulations to validate the operation of the topology of the power converters and the developed control algorithms. It was also implemented a laboratory prototype of the system with the proposed topology and several tests were conducted to assess the system performance.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores, Na atualidade, cada vez mais as pessoas dependem da energia elétrica para o seu dia-a-dia. Com a chegada dos veículos elétricos, para substituírem os bem disseminados veículos com motor de combustão, surge a necessidade de aumentar os meios de produção de energia elétrica no mundo, de modo a possibilitar a circulação de uma grande frota de veículos elétricos. Com as reservas dos combustíveis fósseis a diminuírem, a tendência de subida dos preços, as fontes de energias renováveis apresentam-se como a solução mais viável para a produção de energia elétrica, pois são mais ecológicas e usam recursos naturais que não se esgotam. Esta dissertação de mestrado descreve o desenvolvimento da eletrónica de potência para um sistema microeólico com interligação à rede elétrica. O protótipo desenvolvido permite extrair a potência máxima do gerador síncrono de ímanes permanentes, para diferentes velocidades de rotação, manter o barramento CC regulado, e injetar correntes na rede elétrica com uma forma de onda sinusoidal, e com um fator de potência quase unitário. Neste documento são apresentados diferentes tipos de turbinas eólicas e descritos os componentes que as constituem. Além disso, são apresentadas as várias topologias existentes de sistemas microeólicos com interligação à rede elétrica. Posteriormente são descritas algumas teorias de controlo que permitem manter o barramento CC regulado e injetar correntes sinusoidais na rede elétrica. É também apresentado o algoritmo de controlo MPPT (Maximum Power Point Tracking) que possibilita seguir o ponto de máxima potência do gerador. Na realização deste trabalho foi possível validar a topologia escolhida para interligação do sistema microeólico à rede elétrica e os algoritmos de controlo utilizados, numa primeira fase a partir dos resultados obtidos nas simulações computacionais realizadas, e numa segunda fase através dos resultados obtidos nos vários testes experimentais realizados ao sistema microeólico desenvolvido., Currently, more and more people are dependent on electricity for their everyday life. The arrival of electric vehicles to replace the well disseminated internal combustion engine cars, increased this dependence, so it is necessary to research new means of electricity production in the world. With the fossil fuels reserves decreasing, and consequently rising in the prices, renewable energy sources are a viable solution for electricity production. This kind of electricity production is more environmental friendly and use inexhaustible natural resources. This dissertation describes the development of power electronics converters for a grid connected micro wind turbine system. The developed prototype allows to extract the maximum power from a permanent magnet synchronous generator for different rotational speeds, while maintaining the DC bus voltage regulated and injecting currents in the power grid with a sinusoidal waveform and a quasi-unitary power factor. In this document are presented different types of wind turbines and are described their main components. Moreover, are presented the current topologies for grid connected micro wind turbine systems. Afterwards, are described the control theories that allow the regulation of the DC bus voltage and the injection of sinusoidal currents in the power grid. It is also presented the MPPT (Maximum Power Point Tracking) control algorithm, which allows extracting the maximum power from the generator for a given rotation speed. During this work it was possible to validate the adopted topology for the grid connected micro wind turbine system and the control algorithms. The system was validated, in a first stage by means of computational simulations, and in a second stage through experimental tests performed with the implemented micro wind turbine system.