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Submitted by Jonathan Sousa de Almeida (jonathan.sousa@ufma.br) on 2022-10-24T12:10:19Z No. of bitstreams: 1 JOÃOEDUARDORIBEIROBAPTISTA.pdf: 4171165 bytes, checksum: 56f1a37c3be272edcc967df208f05668 (MD5) Made available in DSpace on 2022-10-24T12:10:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOÃOEDUARDORIBEIROBAPTISTA.pdf: 4171165 bytes, checksum: 56f1a37c3be272edcc967df208f05668 (MD5) Previous issue date: 2022-09-16 FAPEMA Currently, power distribution systems are undergoing a transformation towards smart grids (SGs). One of the expected characteristics of the SGs is that they incorporate distributed energy resources based on renewable sources, especially solar. The lack of simultaneity between energy production of these sources and demand may result in operational issues, from which the risk of overvoltage stands out. Due to that, it is expected that energy storage systems (ESSs) play a key role in SG, since they allow to match the imbalances between demand and energy production, thus mitigating voltage violation issues. However, these devices are expensive, and therefore, the investments in ESS must be planned to obtain the best cost-benefit relation. In this context, a battery ESS (BESS) planning methodology for distribution SGs is proposed in this work, aiming to control the risk of voltage conformity indices violation subject to uncertainty regarding load, photovoltaic generation e BESS unavailabilities due to failures of their components or in the telecommunication network (TCN) used for their control. The methodology is based in a sequence of studies that result BESSs’ number, sites and sizes and the configuration of the TCN, while also allow the planning engineer to test improvements in the solution by using on load tap changer devices or or by increasing TCN’s availability. Four subproblems are used with this purpose: an optimal BESS allocation, a method for obtaining equivalent failure rates for the battery banks, the TCN optimal design and the SG’s voltage conformity probabilistic assessment used to test solution options face to uncertainty. The first and third problems are solved by genetic algorithms, while the second and the last are based on sequential Monte Carlo simulation (MCS) techniques. Embedded in the allocation model are an optimization model used to assess the typical BESS schedules and a useful lifetime prediction model based on that scheduling. The useful lifetime prediction is also used to fit time-to-failure distributions which ate the input of the MCS that generate BESSs’ equivalent failure rates which are coherent with the expected operational conditions. On the other hand, the MCS used to assess the voltage conformity uses not only the same schedule model used by the allocation but also two optimizations models which represent real time controls for BESS rescheduling and reactive power adjustments used for corrective voltage control. Results assessed in 33 node test system shown that the proposed methodology is capable of producing planning solutions that reduce the voltage conformity indices violation risk to tolerable levels. Atualmente, os sistemas de distribuição passam por um processo de transformação em redes elétricas inteligentes (REI). Uma das características esperadas de REI é que incorporem recursos energéticos distribuídos baseados em fontes renováveis, sobretudo solar. A falta de simultaneidade da produção energética destas fontes em relação à demanda pode resultar em problemas operacionais, dentre os quais destaca-se o risco de ocorrência de sobretensões. Por este motivo, espera-se que os sistemas de armazenamento de energia (SAE) desempenhem papel fundamental, pois permitem adequar os desvios entre a oferta de geração e a demanda, mitigando violações de tensão. No entanto, estes dispositivos têm alto custo, de forma que seus investimentos devem ser planejados de maneira a obter a melhor relação de custo-benefício. Neste contexto, propõe-se neste trabalho uma metodologia de planejamento de SAE à bateria (SAEB) para REI de distribuição com objetivo de controlar os riscos de violações dos índices de conformidade de tensão frente a incertezas de demanda, geração fotovoltaica e de indisponibilidades dos SAEB ocasionadas por falhas de seus componentes ou da rede de telecomunicação (RTCOM) usada nos seus controles. A metodologia se baseia em uma sequência de estudos que resulta no número, posicionamento e dimensões dos SAEB e configuração da RTCOM, além de permitir ao engenheiro de planejamento testar reforços da solução frente a incertezas por meio de investimentos em tapes comutáveis sob carga e melhorias da disponibilidade da RTCOM. Para isso utilizam-se quatro subproblemas: um problema de alocação ótima de SAEB, um método de obtenção de taxas de falha equivalentes para os bancos de baterias, o projeto ótimo da RTCOM e a avaliação probabilística da conformidade de tensão da REI utilizada para testar as soluções de planejamento frente a incertezas. O primeiro e o terceiro problemas são solucionados a partir de algoritmos genéticos, enquanto o segundo e último se baseiam em simulação Monte Carlo (SMC) sequencial. Embarcados ao modelo de alocação estão um modelo de otimização que determina os despachos típicos dos SAEB e um modelo de estimação da vida útil das baterias baseado nestes despachos. As estimativas de vida útil também são utilizadas para ajustar as distribuições dos tempos de falha das baterias que servem como parâmetros de entrada da SMC que gera taxas de falha equivalentes para os bancos de baterias coerentes com as condições operacionais esperadas. Já a SMC que avalia a conformidade de tensão utiliza tanto o mesmo modelo de despacho típico já utilizado pela alocação como também modelos de otimização que representam controles em tempo real para redespacho e para ajustes na potência reativa visando controle corretivo de tensão. Resultados avaliados em um sistema de 33 nós mostraram que a metodologia é capaz de produzir soluções de planejamento que reduzem os riscos de violações dos índices de conformidade de tensão para valores satisfatórios.

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2022. A geração distribuída fotovoltaica (GDFV) tem crescido nos últimos anos, e a inserção de grandes quantidades de GDFV pode prejudicar os sistemas de distribuição, podendo piorar o nível de tensão ou aumentar as perdas técnicas e a demanda de pico da rede. Nesse contexto, os sistemas de armazenamento de energia por baterias (SAEBs) têm se mostrado como uma solução para mitigar os efeitos negativos da inserção de GDFV. Esta tese propõe um método de avaliação dos impactos técnicos e financeiros nos níveis de tensão, demanda de pico e perdas técnicas de sistemas de distribuição, decorrentes da integração de SAEBs associados à GDFV. Assume-se que a localização e o tamanho das SAEBs são definidos pelos consumidores, os quais empregam as estratégias de controle não-coordenadas de autoconsumo e arbitragem no preço. Por meio de simulações computacionais executadas no OpenDSS, este método foi aplicado em 23 alimentadores de uma distribuidora brasileira, considerando-se diversos níveis de penetração de GDFV/SAEB. As localizações de GDFV/SAEB e a seleção de irradiância solar, temperatura e curva de carga foram variadas com base no método de Monte Carlo. Como os impactos nos níveis de tensão, demanda de pico e perdas técnicas são expressos em unidades diferentes, eles foram estocasticamente convertidos em valores monetários para identificar a estratégia de controle que gera mais benefícios para as redes. Adicionalmente, foi proposta uma análise de risco da viabilidade econômica do conjunto de SAEBs instalados nos alimentadores. Os resultados mostram que a instalação de SAEBs com localização, tamanho e estratégia de controle definida pelos consumidores gera benefícios técnicos para o sistema de distribuição. Nas condições avaliadas, a análise de risco permite concluir que a arbitragem no preço deve ser priorizada na decisão de incentivos para níveis de penetração de até 30%. Acima disso, o autoconsumo deve ter prioridade no incentivo. Depreende-se dos resultados da análise de viabilidade econômica do conjunto de SAEBs que a instalação de baterias controladas pela arbitragem no preço é um investimento lucrativo para os consumidores de baixa tensão que aderiram à Tarifa Branca. Em contrapartida, o uso de baterias conforme o autoconsumo ainda é um projeto financeiramente inviável, considerando uma política de net billing. Por fim, foi possível observar que o pagamento de uma compensação financeira ao consumidor com valor igual ao benefício que ele gera na rede é suficiente para tornar a instalação de SAEBs conforme o autoconsumo lucrativa. Isso indica que devolver ao consumidor um benefício criado por ele mesmo ao implantar SAEBs é uma forma de incentivar a instalação de baterias sem fazer uso de subsídios. Cumpre salientar que os resultados apresentados neste estudo dizem respeito somente aos alimentadores investigados e, consequentemente, não podem ser generalizados. Contudo, a aplicação do método proposto a diferentes tipos de alimentadores pode auxiliar na formulação de propostas de políticas para incentivar a integração de SAEBs nos sistemas de distribuição. Photovoltaic distributed generation (PVDG) has grown in recent years, and the insertion of large amounts of PVDG can harm distribution systems, e.g., deteriorate the voltage levels or increase the technical losses and peak demand. In this context, battery energy storage systems (BESS) appear as a solution to mitigate the impacts of PVDG. This thesis proposes a method for evaluating the technical and financial impacts on voltage levels, peak demand, and technical losses in distribution systems resulting from the integration of BESSs associated with the PVDG. We assume that the location and size of BESSs are defined by consumers, who employ the uncoordinated control strategies of self-consumption and price arbitrage. Using computer simulations performed on OpenDSS, this method was applied to 23 feeders of a Brazilian utility, considering several penetration levels of PVDG/BESS. Locations of PVDG/BESS and selection of solar irradiance, temperature and load profile were varied based on the Monte Carlo method. As the impacts on voltage levels, peak demand, and technical losses are expressed in different units, they were stochastically converted into monetary values to identify the control strategy that enhances the benefit in the grids. Additionally, a risk analysis of the economic viability of all the BESSs installed in the feeders was proposed. The results show that BESS installation (location, size, and control strategy) defined by consumers implies technical benefits for the grid. Under the evaluated conditions, the risk analysis allowed us to conclude that price arbitrage should be prioritized in deciding incentives for up to 30% penetration levels. Above these levels, self-consumption should be prioritized as an incentive. It appears from the results of the economic viability analysis of all the BESSs that the installation of batteries controlled by price arbitrage is a profitable investment for low-voltage consumers under time-of-use tariff. On the other hand, batteries controlled by self-consumption are still financially unfeasible projects considering a net-billing policy. Finally, it was possible to observe that the payment of financial compensation to the consumer with an amount equal to the benefit it generates in the grid is enough to make the installation of BESSs according to self-consumption profitable. This indicates that giving back to the consumer a benefit created by himself when installing BESSs is a way to encourage batteries without using subsidies. It is worth mentioning that the results presented in this study concern only the investigated feeders and, consequently, cannot be generalized. However, applying the proposed method to different types of feeders can help formulate policy proposals to encourage BESS integration on distribution systems.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A crescente demanda energética mundial e o aumento da preocupação social/política com a questão ambiental têm impulsionado a inserção de fontes de energias renováveis (FERs) no sistema elétrico de potência (SEP), como sistemas fotovoltaicos e sistemas eólicos de geração. Geralmente essas fontes são inseridas no SEP como sistemas de geração distribuída (SGDs) no novo modelo de matriz energética organizada por microrredes. Essas microrredes são redes em escala reduzida compostas por fontes baseadas em SGDs, cargas elétricas e sistemas de armazenamento de energia (SAEs). A dependência dessas fontes de energia à condições meteorológicas as torna intermitentes e estocásticas. Portanto, para prover o equilíbrio energético dessas microrredes é necessária a utilização dos SAEs. Nesse sentido, neste trabalho é proposta uma estratégia de controle cooperativo para regular o fluxo de potência de uma microrrede CC com um SAE interconectado. A estratégia proposta coordena o controle de tensão do barramento CC pelo Interlink CC (ILC) e pelo SAE, provendo a suavização da potência fornecida a rede elétrica. Para desacoplar as malhas de controle é utilizada uma função de inferência gaussiana baseada na informação do desvio de tensão no barramento CC. A técnica proposta é validada por meio de simulações digitais e testes experimentais. The growing global energy demand and the increasing social/political concern for the environment has driven the insertion of renewable energy sources (RESs) in the electrical power system (EPS), such as photovoltaic systems and wind generation systems. Generally, these sourcers are inserted in the EPS as distributed generation (DGs) systems in the new matrix energy model organized by microgrids (MGs). MGs are small-scale networks composed of sources based on DGs, electrical loads and energy storage systems (ESS). RESs are dependent on meteorological conditions which make it intermittent and stochastic. To provide the energy balance of these microgrids, it is necessary to integrate ESSs. Therefore, this work proposes a cooperative control strategy to regulate the power flow of a DC MG with an interconnected ESS. The proposed strategy coordinates the voltage control of the DC bus by Interlink CC (ILC) and by ESS, providing power smoothing. To decouple the control loops from the bus, a Gaussian inference function is used based on the information of the voltage deviation on the DC bus. The proposed technique is validated through digital simulations and experimental tests.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia The integration of renewable energies, especially photovoltaic solar energy, hasbeen a major concern of the energy sector. In this sense, in a residential environment, wehave been looking for ways to maximize self-consumption and self-sufficiency,particularly through the use of solar energy using Solar PV and Batteries systems.Portugal is considered to be one of the European countries with the greatestpotential for the exploitation of renewable energy from a solar source, so it has beenhighly explored in recent years.This dissertation begins with the introduction of the state of the art on photovoltaicproduction in Portugal, and takes an approach to self-consumption and the legislation thatconcerns it (Decreto-Lei No. 162/2019). In addition, a study is done on HEMS, in whichits strategies and characteristics are explored.Next, we prepared a case study, in view of the feasibility of applying solarphotovoltaic systems for self-consumption at residential level in order to understand howwe can increase self-sufficiency and self-consumption. A discussion of the results ismade, through the formulation of some scenarios, where several storage capacities arecombined (2kWh, 4kWh, 6kWh, 8kWh and 10kWh) with various production capacities(750W, 1000W, 1250W and 1500W). The analysis was possible based on energyindicators, such as the state of charge of the batteries, number of hours in which they are:minimum and maximum battery load, amount of energy injected, and coming from thepublic service electricity network, among others. Taking these indicators into account,we conducted a monthly, annual as well as seasonal study.Finally, the results obtained show that a good energy dimensioning of the producersystem and the storage system can bring numerous advantages both for the consumer andfor the electric public service network., leading to a reduction in energy charges andincreased self-sufficiency. A integração de energias renováveis, especialmente a energia solar fotovoltaica,tem sido uma das principais preocupações do sector energético. Nesse sentido, emambiente residencial, tem-se procurado formas de maximizar o autoconsumo e aautossuficiência, particularmente através do aproveitamento de energia solar com recursoa sistemas Solar PV e Baterias.Portugal é considerado dos países Europeus com maior potencial de exploração deenergia renovável de fonte solar, e por isso tem vindo a apostar neste recurso nos últimosanos.Esta dissertação, começa pela introdução do estado da arte sobre a produçãofotovoltaica em Portugal, e faz uma abordagem ao autoconsumo e à legislação que lhediz respeito (Decreto-Lei nº162/2019). Além disso, é feito um estudo sobre o HEMS, noqual as suas estratégias e características são exploradas.De seguida elaboramos um estudo de caso, tendo em vista a viabilidade daaplicação de sistemas solares fotovoltaicos para autoconsumo a nível residencial porforma a entendermos como podemos aumentar a autossuficiência e o autoconsumo. Éfeita uma discussão dos resultados, através da formulação de alguns cenários, onde sãocombinadas várias capacidades de armazenamento (2kWh, 4kWh, 6kWh, 8kWh e10kWh) com várias capacidades de produção (750W, 1000W, 1250W e 1500W). Aanálise foi feita com base em certos indicadores energéticos, tais como: estado de cargadas baterias, número de horas em que estão à carga mínima e máxima, quantidade deenergia injetada, e proveniente da rede elétrica de serviço público, entre outros. Tendoem conta estes indicadores, fizemos um estudo mensal, anual assim como sazonal.Por fim, os resultados obtidos demonstram que um bom dimensionamentoenergético do sistema produtor e do sistema de armazenamento, pode trazer inúmerasvantagens quer para o consumidor quer para a rede elétrica de serviço público, levandoa uma diminuição dos encargos energéticos e o aumento da autossuficiência.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Neste trabalho é analisado o uso de sistemas de armazenamento de energia por baterias (BESS) em sistemas elétricos de distribuição. Esses sistemas de baterias são capazes de injetar ou absorver energia dos sistemas de distribuição. Quando tal processo é realizado em momentos propícios, proporciona uma melhora nos indicadores dos sistemas elétricos. São propostos dois métodos para alocar, dimensionar e gerenciar a operação destes conjuntos de baterias, visando obter um resultado ótimo. Neste trabalho, deseja-se alcançar dois objetivos distintos: a minimização das perdas elétricas do sistema de distribuição e a maximização do retorno financeiro, decorrente do benefício dos BESS a um sistema ao longo de um horizonte de planejamento. A modelagem de bateria utilizada considera questões de dependência temporal entre seus estados de operação e, assim, visa retratar seu funcionamento real. Tal dependência temporal é abordada pela resolução de fluxos de potência sequenciais, que respeitam os limites operativos dos sistemas. A otimização é realizada através de dois métodos propostos, o primeiro é um procedimento de busca direta, que visa solucionar todas as variáveis do problema simultaneamente. O segundo é um procedimento de busca iterativa, que define o cronograma de operação por meio de um processo de otimização e utiliza outro processo para alocar e dimensionar os BESS. Ambos os métodos propostos utilizam o algoritmo genético como ferramenta de otimização. Resultados obtidos em simulações de diferentes sistemas de distribuição são apresentados para demonstrar a aplicabilidade do método proposto. The use of battery energy storage systems (BESS) connected to distribution systems is analyzed. In this work these battery systems are capable of either injecting or draw power from the power systems. When such process happens at appropriate times it leads to an improvement in the electric system indicators. Two methods for optimal sizing, placement and operation schedule management of BESS are proposed aiming to get an optimal result. In this work it is desired to achieve two distinct objectives: the minimization of electrical losses from distribution systems and financial profit maximization due to BESS benefits for a distribution system over a planning horizon. The battery modeling in this paper takes into account the temporal dependency among their operational states and thus aims to portray its real operation. Such temporal dependency is dealt with sequential power flows resolutions, which respects systems operational limits. In addition, the load curve variability is considered during the process. The optimization is performed through two proposed methods, the first one is an straight search procedure that aims to solve all the problem variables simultaneously The second is an iterative search procedure that defines BESS operation schedule through an optimization process and uses another one to set his sizing and placement. Both proposed methods uses Genetic Algorithms as an optimization tool. Results obtained from simulations in different power systems are presented to demonstrate the applicability of the proposed method.

O papel fundamental que a eletricidade desempenha na atual sociedade não pode ser subestimado. A atual tendência mundial de crescimento de consumo energético, aliado à redução na utilização de combustíveis fósseis rumo a uma matriz energética sustentável incorrerá em profundas mudanças, não apenas no mercado de energia, mas bem como na sociedade em si. Nesse documento, propõe-se um Sistema de Armazenamento de Energia em que se substitui compressores e turbinas a ar, utilizados em sistemas CAES convencionais, por bombas e turbinas hidráulicas, chamado Pumped Hydraulic Compressed Air Energy Storage (PH-CAES). A compressão direta do ar, como é feito em CAES, demanda uma grande quantidade de energia, e o gás confinado a uma pequena câmara de compressão, é submetido à rápida pressurização. Dessa maneira, o aumento de pressão é acompanhado por aquecimento substancial, levando à necessidade de materiais e métodos especiais para manipular a massa gasosa a altas temperaturas. Ao invés de comprimir o ar diretamente, no sistema proposto água é bombeada para um reservatório fechado, e assim, por meio da redução do volume disponível, pressuriza o ar armazenado. Dessa maneira, além da simplicidade construtiva e operacional, a amplitude térmica e potência requerida para operação são reduzidos, e o sistema opera como um híbrido de PHES (durante carregamento e descarregamento) e CAES (meio de armazenamento). A partir de uma extensa revisão bibliográfica, os principais tipos de ESS e suas aplicações no mercado energético foram descritos. Em seguida, a operação do sistema proposto foi descrita, e seu funcionamento modelado a partir de conceitos fundamentais das Leis da Termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor. Esse modelo matemático foi então aplicado, por meio de simulação em Matlab, em um sistema de pequena escala. Essa simulação se deu sob diferentes aspectos operacionais, de modo a compreender o comportamento do sistema em diversos cenários. Os resultados das simulações indicaram que o sistema possuía rápida resposta, sendo capaz de produzir energia de maneira estável. Além disso, a proposição de redução de consumo e diminuição da amplitude térmica foram comprovados. Dessa maneira, uma eficiência global de 45% foi atingida, o que considerando a reduzida escala e simplicidade do proposto, é considerada promissora. Para comprovar tal constatação, esse valor foi comparado com diversas referências sobre CAES disponíveis na literatura. O valor encontrado de eficiência é comparável a sistemas maiores, mais complexos e que em muitos casos dependem de uma fonte externa de energia térmica, ou combustão para atingir valores aceitáveis de eficiência, o que comprova, de maneira definitiva, a competitividade técnica do sistema proposto. The fundamental role of electricity in modern society cannot be overstated. In a ever increasing energy consumption world, shifting from fossil fuels towards a more renewable generation system will incur in deep changes, not only in the electric system, but also on society itself. In this rapidly changing scenario, Energy Storage Systems (ESS) are seen as a powerful ally to assist the transition. In this research, a novel ESS named Pumped Hydraulic Compressed Air Energy Storage proposes replacing the air the compressor and turbine, utilized in conventional CAES system by hydraulic pumps and turbines. Directly compressing the air, as is done in CAES is a energy demanding process, in which the gas is confined to a small chamber and undergoes a rapid transformation. As a result, its temperature increases considerably, which in turn, require special materials and methods to be handled. Instead of, a hydraulic pump pushed water into a closed tank, slowly and indirectly compressing the air inside. This way, a great deal of simplicity is achieved, temperature increase and power requirement are diminished and the system operates as a hybrid between PHES (charging and discharging) and CAES (storage medium). An extensive literature review is performed, aiming to describe and explain the possible types and applications ESS on the energy generation and distribution market. Following, the new system operating sequence is completely described and modelled under the scope of the Laws of Thermodynamics, fluid mechanics and heat transfer concepts. The proposed methodology is then applied to a laboratory scale simulation, performed in Matlab. Several operating scenarios were simulated, in order to assess the system performance over a wide range of conditions. The results found proved that the new system is able to quickly respond, generating a stable power output. Also, replacing the compressor by hydraulic pumps, and indirectly compressing the air with water results in a considerable decrease in power consumption. This way, a round trip efficiency figure of 45% is achieved, and considering the proposed system size and simplicity, it is considered a promising. To test this, the system efficiency is compared to several CAES literature references, and its value is comparable to larger, more complex and potentially expensive systems, which usually depend on multiple heat exchangers, burning fuel or an external.

O objetivo do presente trabalho é desenvolver e aplicar uma metodologia de apoio à decisão no que concerne à localização e dimensionamento de dispositivos de armazenamento de energia (Energy Storage System) em redes de energia elétrica. Para o efeito, sugere-se o algoritmo EPSO (Evolutionary Particle Swarm Optimization) para promover a solução ótima que minimiza o custo de DES (Dispersed Energy Storage) com recursos a renováveis, tendo em conta a capacidade e o custo mínimos da instalação. Aplicou-se a metodologia para resolver diferentes cenários de congestionamento potencialmente interessantes para o planeamento operacional de redes na janela temporal no dia seguinte. Realizou-se ainda um estudo paramétrico do EPSO para perceber a sensibilidade dos parâmetros e a sua influência nas soluções finais. Os resultados obtidos sugerem que a aplicação de ESS neste domínio é exequível e eficaz, indicando que a sua capacidade e localização são determinadas em função da duração e amplitude do congestionamento. No entanto, para melhor compreensão da metodologia aplicada, foi realizado o estudo individualizado de cada rede.

Submitted by Sheila MONTEIRO (sheila.monteiro@ufma.br) on 2019-03-13T17:57:47Z No. of bitstreams: 1 FELIPEPEREIRA.pdf: 1620154 bytes, checksum: 578d91846226b8149a959451199ab02b (MD5) Made available in DSpace on 2019-03-13T17:57:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FELIPEPEREIRA.pdf: 1620154 bytes, checksum: 578d91846226b8149a959451199ab02b (MD5) Previous issue date: 2019-02-25 Unit commitment is an important step in the planning of the operation, generally aiming to minimize the total cost of the operation during the scheduling horizon, respecting constraints such as spinning reserve limits, minimum on and off times, ramp limits of generators, the restrictions of the active power balance and the power limits of the generators at each instant. In addition, to reduce dependence on fossil fuels and greenhouse gas emissions, the integration of clean and renewable energy resources into electricity systems has attracted worldwide attention. Thus, this dissertation presents an unit commitment model under smart grids environment, in addition to a methodology based on dynamic forward programming with the aim of solving the problem formulated. In the unit commitment problem were considered intermittent renewable energy sources (RES), and energy storage systems (ESS). Emphasis was given on intermittent RES to wind and tidal energy farms and ESS to battery storage systems. However, due to uncertainty in wind forecasting (which will cause differences between predicted and measured values), a probabilistic model (based on the Weibull probability density function) for wind turbines is formulated, which penalizes through a cost the fact that the power available for generation by the wind farm is underestimated or overestimated. The inclusion of the tidal energy farm to the unit commitment is simpler because, although intermittent, it is a very predictable source of energy. Finally, in order to optimize the cost of the unit commitment, the battery energy storage system for energy storage is incorporated into the problem. The proposed methodology was implemented in MATLAB® computing environment and applied to two commonly used test systems (with four and ten thermal generating units, respectively). The results of the simulation demonstrate the applicability and good performance of the proposed method, as well as the advantages of using energy storage systems to aid in the demand shifting, peak demand shaving besides increasing the economy. O pré-despacho é uma importante etapa do planejamento da operação, tendo geralmente como objetivo minimizar o custo total da operação durante o horizonte de agendamento, respeitando restrições como os limites de reserva girante, tempos mínimos ligado e desligado, limites de rampa dos geradores, as restrições do balanço de potência ativa e limites de potência dos geradores em cada instante. Além disso, para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e as emissões de gases de efeito estufa, a integração de recursos de energia limpa e renovável aos sistemas de energia elétrica atraiu atenção mundial. Sendo assim, esta dissertação apresenta um modelo de pré-despacho de redes elétricas inteligentes, além de uma metodologia fundamentada em programação dinâmica forward com o desígnio de solucionar o problema formulado. No problema do pré-despacho foram consideradas as fontes de energia renovável (FER) intermitentes, e os sistemas de armazenamento de energia (SAE). Ênfase foi dada nas FER intermitentes aos parques eólicos e maremotrizes e nos SAE aos sistemas de armazenamento por baterias. Entretanto, devido a incerteza na previsão dos ventos (que irão causar diferenças entre os valores previstos e medidos), um modelo probabilístico (com base na função densidade de probabilidade da Weibull) para as turbinas eólicas é formulado, o qual penaliza através de um custo o fato de se subestimar ou superestimar a potência disponível para geração pelo parque eólico. A inclusão do parque maremotriz ao pré-despacho é mais simples pois, apesar de ser intermitente, é uma fonte de energia bem previsível. Por fim, com o objetivo de otimizar o custo do pré-despacho, o sistema por armazenamento de energia por baterias é incorporado ao problema. A metodologia proposta foi implementada em ambiente computacional MATLAB® e aplicada a dois sistemas teste comumente utilizados (com quatro e dez unidades geradoras térmicas, respectivamente). Os resultados da simulação demonstram a aplicabilidade e bom desempenho do método proposto, bem como as vantagens da utilização de sistemas de armazenamento de energia para auxiliar no deslocamento da demanda, redução do pico da mesma e aumento da economia.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica e de Computadores, Devido à previsível escassez e às desvantagens inerentes ao uso de combustíveis fósseis na produção de energia elétrica, tem-se vindo a apostar em fontes de energia renovável, nomeadamente a eólica e a solar fotovoltaica. Contudo, estes tipos de fontes apresentam como principais desvantagens a intermitência na produção de energia, bem como a necessidade de um equipamento de interface com a rede elétrica, que tipicamente introduz problemas de qualidade de energia elétrica (QEE). Assim, de forma a possibilitar a integração de fontes de energia renovável na rede elétrica e explorar os incentivos referentes aos períodos de menor procura de energia, surgem novas oportunidades relativamente aos sistemas de armazenamento e gestão de energia, nomeadamente, o conceito de load shifting. Neste sentido, a presente dissertação de mestrado encontra-se inserida no desenvolvimento de um sistema de load-shift com características avançadas. Este dispositivo permite a interface de um sistema de armazenamento de energia com a rede elétrica, simultaneamente com a compensação de problemas de qualidade de energia elétrica relacionados com a corrente, nomeadamente, harmónicos, desequilíbrios e potência reativa. Nesta dissertação é abordado o desenvolvimento do conversor CC-CA trifásico, responsável pela interface com a rede elétrica, absorvendo ou injetando energia elétrica, dependendo do modo de operação do sistema de armazenamento. Além disso, este conversor CC-CA permite a operação como filtro ativo paralelo (FAP) trifásico, sendo esta uma das principais contribuições para a operação do sistema. Ao longo do desenvolvimento desta dissertação, foi possível validar a topologia de conversor CC-CA trifásico com quatro braços a operar em diferentes modos, bem como o seu sistema de controlo. Estes modos envolveram um estudo teórico necessário à execução dos testes de simulação e validação experimental do desempenho do sistema implementado., Recently, there has been a focus on renewable energy sources, namely wind and solar photovoltaic, due to the predictable scarcity and inherent drawbacks of the use of fossil fuels in the production of electric energy. However, these types of energy sources have their own shortcomings: the intermittence of energy production as well as the need for an electrical network interface device that typically introduces power quality (PQ) problems. Thus, to allow the integration of renewable energy sources in the grid and to explore the incentives for periods of lower energy demand, new opportunities arise regarding energy storage and management systems, namely the load shifting concept. In this context, the present master dissertation is focused on developing a system of load-shift with advanced characteristics. This device allows the interface of a system of energy storage with the electric network, while fixing the electrical power quality problems related to current harmonics, unbalances and reactive power. This investigation discusses the development of three-phase DC-AC converter, which is responsible for interfacing with the grid, absorbing or injecting electrical energy, depending on the mode of operation of the storage system. Additionally, one of the main contributions to the system operation is that the DC-AC converter allows operation as a three-phase shunt active filter (APF). Throughout the development of this dissertation, it was possible to validate the topology of the three-phase DC-AC converter with four legs operating in different modes, as well as its control system. These modes involved a theoretical study, which is necessary to perform the simulation tests and experimental validation of the performance of the implemented system., Este trabalho de mestrado 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 mestrado está enquadrado no projeto de IC&DT “newERA4GRIDs – New Generation of Unified Power Conditioner with Advanced Control, Integrating Electric Mobility, Renewables, and Active Filtering Capabilities for the Power Grid Improvement”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência POCI-01-0145-FEDER-030283.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores, A sustentabilidade e o equilíbrio do planeta é, hoje em dia, um dos maiores problemas discutidos a nível mundial. As alterações climáticas, principalmente devido à utilização indevida e excessiva de combustíveis fósseis, já não são somente uma preocupação, mas uma realidade bem acentuada que urge ser colmatada. Dentro deste contexto e com o objetivo de obter energia a partir de fontes naturais e inesgotáveis, a aposta em energias renováveis (ER) começa a ganhar expressão no mercado. Contudo, a eletricidade gerada através destas fontes toma um perfil intermitente que, por vezes, não coincide com a demanda. Neste sentido, a inclusão de sistemas de armazenamento de energia (SAE) é tomada como extremamente relevante, dado que os períodos de baixa produção poderão ser compensados e, assim, garantir um fornecimento constate de energia a uma habitação, mesmo em caso de falha na rede. Atualmente, esta apresenta uma topologia pouco eficiente, onde a geração de energia está bem caracterizada e centralizada. É de esperar que a curto/médio prazo, a inclusão das ER tenha o objetivo de descentralizar a produção, contribuindo para o equilíbrio da rede numa perspetiva de Smart Grid (SG). Face à crescente proliferação de cargas CC e de sistemas de geração para autoconsumo, as DC Smart Microgrids têm vindo a receber especial atenção da comunidade científica ao longo da última década. A adoção desta estrutura para a rede elétrica possibilitaria uma redução significativa do número de conversores empregues neste tipo de aplicações, aumentando deste modo a eficiência dos sistemas de geração e de armazenamento de energia. Assim, esta dissertação assenta sobre a implementação de um sistema de baixa potência (3,6 kW) que permite, através de um único ponto de ligação a uma rede de corrente contínua (CC), a interface de uma fonte de ER (painéis solares fotovoltaicos) e de um SAE (baterias). O equipamento é baseado em conversores de eletrónica de potência (EP) e empregue com novas tecnologias de semicondutores a comutar a altas frequências - p. ex., utilizando tecnologia SiC. Através de um conversor Dual Active Bridge (DAB), é ainda garantido o isolamento galvânico entre a rede CC e o conjunto dos painéis fotovoltaicos com as baterias. Mais ainda, os algoritmos de controlo desenvolvidos permitem otimizar a extração da máxima potência dos painéis solares (MPPT - Maximum Power Point Tracking) e realizar os processos de carga e descarga das bateria de forma controlada. Os modos de operação do micro-inversor propostos nesta dissertação são concebidos de acordo com as rotinas e necessidades energéticas do consumidor e aplicados em situações reais no seu quotidiano. Todas as topologias, e respetivas estratégias de controlo, que podem ser aplicadas ao circuito de potência serão simuladas com recurso à ferramenta PSIM. Posteriormente irá ser efetuado o desenvolvimento da solução proposta e obtidos os resultados experimentais que a validem., The planet’s sustainability and balance is, nowadays, one of the biggest problems discussed worldwide. Climate change, mainly due to the improper and excessive use of fossil fuels, is no longer just a concern, but a strong reality that needs to be adressed. Within this context and with the goal of obtaining energy through natural and inexhaustible sources, the bet on renewable energy sources (RES) begins to gain market placement. However, the electricity generated from these ones has an intermittent profile that, sometimes, does not match the demand. In this regard, the inclusion of energy storage systems (ESS) is considered extremely relevant, as the periods of low production can be compensated and thus ensure a constant supply of energy to a home, even in case of grid failure. Nowadays, it has an inefficient topology, in which energy generation is well characterized and centralized. It is expected that in a short/medium term, the inclusion of RE aims to decentralizing production, contributing to the grid’s balance from a Smart Grid (SG) perspective. In the face of the growing proliferation of DC loads and self-consumption generating systems, DC Smart Grids have received special attention from the scientific community over the past decade. The adoption of this structure for the power grid would allow a significant reduction in the number of power converters employed in this type of applications, thereby increasing the efficiency of energy generation and storage systems. Thus, this dissertation is based on the implementation of a low power system (3.6 kW) that allows, through a single point of connection to a DC Grid, the interface of a RES (photovoltaic solar pannels) and a ESS (batteries). The equipment is based on power electronics (PE) converters and employed with new semiconductor technologies switching at high frequencies - for example, using SiC technology. Through a Dual Active Bridge (DAB) converter, galvanic isolation is also guaranteed between the DC grid and the group constituted by the photovoltaic pannels and by the batteries. Furthermore, the developed control algorithms allow to optimize the extraction of the maximum power from the photovoltaic pannels (MPPT - Maximum Power Point Tracking) and to carry out the batteries’ charge and discharge processes in a controlled way. The micro-inverter operation modes proposed in this dissertation are conceived in accordance with the consumer’s routines and energetic needs and applied in real situations in one’s quotidian. All topologies, and respective control strategies, that can be applied to the power circuit were simulated using PSIM. Subsequently, it was be developed the proposed solution and obtained the experimental results that validate it., Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “newERA4GRIDs – New Generation of Unified Power Conditioner with Advanced Control, Integrating Electric Mobility, Renewables, and Active Filtering Capabilities for the Power Grid Improvement”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEIEEE/30283/2017., Este trabalho de dissertação está enquadrado no projeto de IC&DT “PV4SUSTAINABILITY Photovoltaic system for sustainable irrigation of family agricultural production units and training of young people and women in boane district, maputo province”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência 333203230.

In this work, it is presented a methodology for analyzing the insertion of energy storage systems in electric energy distribution networks. This methodology consists of modeling the current regulatory policy with its various topologies as input data, and as output data, the maximum possible cost that the energy storage system may have to be considered feasible by the potential investor. The proposed method allows the validation of which energy storage technologies are feasible or not, and which technological development they need to achieve considering the regulatory framework in which they are inserted and through simulations with standard distribution networks and using worldwide economical reference values. The main contribution of the work is to consider the economic and regulatory dynamics and its high flexibility in being applied in any region or country and thus propose new regulatory frameworks to encourage the installation of energy storage systems. Neste trabalho é apresentada uma metodologia de análise de inserção de sistemas de armazenamento de energia em redes de distribuição de energia elétrica. Esta metodologia consiste em modelar como dados de entrada a política regulatória vigente, com suas diversas topologias, e como dado de saída o custo máximo possível que o sistema de armazenamento de energia poderá possuir para ser considerado viável pelo potencial investidor. O método proposto permite validar quais tecnologias de armazenamento de energia são viáveis ou não, ou ainda qual deve ser o desenvolvimento tecnológico que necessitam atingir, considerando o arranjo regulatório em que estão inseridas e através de simulações com redes de distribuição padrões e valores econômicos de referência mundial. A grande contribuição do trabalho está em considerar a dinâmica econômica e regulatória e sua alta flexibilidade em ser aplicado em qualquer região ou país e assim propor novos marcos regulatórios para incentivar a instalação de sistemas de armazenamento de energia.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia A integração de sistemas de armazenamento de energia (ESS) na gestão da produção e planeamento de grandes centrais elétricas é um dos objetivos mais cobiçados da atualidade. As tecnologias existentes não são ainda suficientemente capazes de responder ao problema e, não só o planeta mas também a economia começam a sentir as consequências. A ciência e a engenharia têm feito progressos no melhoramento das tecnologias atuais no sentido de alargar as suas aplicabilidades.Na presente dissertação pretende-se explorar um conceito inovador de ESS baseado na interação magnética entre ímanes permanentes, a bateria MAD. O texto começará por dar a conhecer alguns dos principais sistemas de armazenamento de energia da atualidade, bem como os vários tipos de áreas onde estes se aplicam e também as características que permitem diferenciar as demais tecnologias. Neste contexto, abordam-se as principais vantagens de ESS incorporados na rede de gestão e produção de energia elétrica bem como as consequências da utilização deficiente dos mesmos. Seguir-se-á um estudo numérico para averiguar qual a melhor configuração e geometria para posterior construção do modelo MAD, utilizando o software EMS da EMWorks. O desenho mais promissor encontrado segue o principio de uma mola linear como base para o armazenamento de energia potencial, no entanto, este efeito mola surge de forças atrativas e repulsivas entre campos magnéticos. Cumprindo as premissas resultantes dos estudos numéricos, o texto termina com a construção do modelo proposto, com o objetivo de servir de prova de conceito a esta nova tecnologia. Algumas das conclusões mais importantes deste trabalho são a possibilidade de conceber um ESS com auto-descarga nula e a demonstração da viabilidade de um conceito alternativo de armazenar energia de forma compacta, sem impactos ambientais negativos e com a vestalidade de poder ser aplicado em qualquer parte do mundo, independentemente de quaisquer fatores geológicos ou geográficos. Integrating energy storage systems (ESS), in large management of energy production is probably one of the holy grails of the present days. The existing solutions are not yet enough to face the problem and, not only the environment but also the economy are starting to feel the consequences. Progress is being made to improve the current technologies, to make them viable for such applications. This paper explores a new concept of ESS, the MAD Battery, based on force interactions between permanent magnets. At first, the reader will be introduced with some of the most important ESS technologies in the market, as well as the tools needed to compare them. At this point, it is going to be discussed some of the most important advantages of integrating ESS on the electric grid, as well as the consequences of the lack of investment in this area. Later on, will be considered a numeric approach making use of EMS software by EMWorks to find the best suitable design before any model construction or experiments. The most promising design found follows the principle of a linear spring as the basis for the storage of potential energy, however, this spring effect arises from attractive and repulsive forces between magnetic fields.Following the principles that resulted in the numeric studies, this paper ends with what concerns the construction of a model that proves this new MAD concept.Some of the most important conclusions are the possibility of conceiving an ESS technology without self-discharge, no environmental impacts and with the versatility to be implemented in any place, regardless of any geologic or geographical factors. Universidade de Coimbra - Financiamento para aquisição de materiais para contrução do modelo proposto.

A crescente demanda de energia elétrica pela sociedade tem feito com que se busque novas formas de geração, exigindo um aumento da participação das fontes renováveis de energia na matriz energética global, dadas as restrições ambientais. Desse forma, as redes inteligentes de energia introduzem conceitos no sistema elétrico, como microrredes e nanorredes, as quais possuem sua geração baseada em fontes renováveis como eólica e solar. A produção de energia por essas fontes está atrelada a fatores naturais como irradiação solar e vento, o que leva à necessidade de sistemas de armazenamento de energia em banco de baterias para garantir o fornecimento à nanorrede com baixa ou nenhuma dependência da rede elétrica de distribuição. Neste contexto, este trabalho apresenta um estudo acerca de um conversor bidirecional CC-CC, para interface entre sistema de armazenamento de energia e barramento CC de uma nanorrede. Este conversor possui a finalidade do controle de fluxo de potência entre estes elementos, seja carregando o banco de baterias de 24V (modo direto) ou mantendo a tensão de 380V no barramento CC (modo reverso). Diante de várias topologias bidirecionais, foi escolhido um conversor a base de uma estrutura ressonante. Estes conversores caracterizam-se por processar energia com comutação suave nos interruptores eletrônicos. Dentre as várias topologias ressonantes, o conversor Meia-Ponte ressonante LLC série-paralelo isolado foi escolhido, adaptando-o para sua estrutura bidirecional, levando a uma topologia pouco explorada na literatura. A estrutura da nanorrede é apresentada e testes são realizados para análise do desempenho do conversor nos modos direto e reverso. The growing demand for electricity by society has led to the search for new forms of generation, requiring an increase in the share of renewable energy sources in the global energy matrix, given the environmental constraints. In this way, the smartgrids introduce concepts in the electrical system, such as microgrids and nanogrids, which have their generation based on renewable sources such as wind and solar. The production of energy from these sources is linked to natural factors such as solar irradiation and wind, which leads to the need of energy storage systems in battery banks to guarantee the supply to the nanorede with low or no dependence of the electricity distribution network. In this context, this work presents a study about a bidirectional DC-DC converter, for interfacing between a power storage system and a nanogrid DC bus. This converter has the purpose of controlling the power flow between these elements, either by charging the battery bank of 24V (forward mode) or by maintaining the voltage of 380V in the DC bus (backward mode). In front of several bidirectional topologies, a converter was chosen based on a resonant structure. These converters are characterized by processing power with soft switching on the electronic switches. Among the several resonant topologies, the LLC series-parallel resonant Half-bridge converter was chosen, adapting it to its bidirectional structure, leading to a little explored topology in the literature. The structure of the nanoread is presented and tests are performed to analyze the performance of the converter in forward and backward modes.

Este trabalho trata do uso de sistemas de armazenamento de energia formados por baterias nos sistema elétricos de distribuição. Estes sistemas de baterias são capazes de injetar ou retirar energia em momentos de interesse para o sistema de distribuição, aumentando sua eficiência. É proposto um método de alocação ótima de baterias, com gerenciamento ótimo da sua operação. O gerenciamento ótimo especifica os processos de carga e de descarga do sistema de armazenamento para atender determinada finalidade que neste trabalho é a redução das perdas totais de energia no sistema de distribuição, respeitando os limites de tensões nodais recomendados. Desta forma, a alocação de baterias no sistema de distribuição pode ser economicamente viável num horizonte de planejamento especificado. Neste trabalho as baterias são modeladas buscando retratar sua realidade de funcionamento, abrangendo as questões de dependência temporal dos seus estados de operação. Além disso, a variação da carga no sistema de distribuição é considerada. Para estas questões temporais, é feito o uso do método de solução de fluxo de potência sequencial, através da técnica Quasi-Static Time-Series. A otimização é realizada através de Algortimos Genéticos. Apresentam-se estudos de casos com sistemas de baterias com diferentes características, demonstrando a aplicabilidade do método proposto. The present work discusses the use of energy storage systems connected to the distribution system. Battery energy storage systems are able to inject or absorb power of the distribution system at crucial moments, increasing their efficient. It is proposed a methodology for optimal allocation of battery energy storage system with operation management optimized. The management optimal includes specifying the storage system charge and discharge modes to achieve certain purposes that in this case is to decrease the total energy losses of the distribution system, respecting the recommended voltage limits. Thus the battery energy storage system in the distribution system can be a viable economically option, according to a specified plannig horizon. In this work the batteries are modeled portraying their operating appropriately, covering the temporal dependency questions their operation modes. Besides the battery charge and discharge must happen according the load and generation variations of the system in which it is connected. It was used the Quasi-Static Time-Series method from OpenDSS software, to treat the temporal questions. The optimization is realized through the Genetic Algorithm. The studied cases consider batteries with different behaviors, demonstrating the applicability of the proposed methodology.

Submitted by Daniella Santos (daniella.santos@ufma.br) on 2018-04-04T14:26:53Z No. of bitstreams: 1 IgorSoaresdosSantos.pdf: 9545238 bytes, checksum: a7dc55e7930e8ff46cf71b46be225bb8 (MD5) Made available in DSpace on 2018-04-04T14:26:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 IgorSoaresdosSantos.pdf: 9545238 bytes, checksum: a7dc55e7930e8ff46cf71b46be225bb8 (MD5) Previous issue date: 2018-02-23 In this work, the problem of the allocation of photovoltaic generators and energy storage systems simultaneously in an electric power distribution system is formulated and solved, observing the minimization of active losses in the network, while operational network restrictions are satisfied. To properly consider the imbalance characteristic of distribution networks, a three-phase approach to the feeder and its components is considered using OpenDSS software. The solution of the problem is done using the stochastic search algorithm Evolution Strategy to optimize the proposed objective function. For this purpose, the Evolution Strategy technique with adaptation of covariance matrix of the population was implemented, which aims to improve the probability that good individuals will happen again throughout the evolutionary process. To illustrate the methodology, the IEEE-13 test distribution system was used in three different test cases. The results obtained adequately illustrate the proposed formulation and its practical utility. The solution solved through the evolutionary algorithm presents good results in the reduction of technical losses of the system, while simultaneously allocating photovoltaic generators and storage systems in the electric distribution system. Neste trabalho é formulado e resolvido o problema da alocação de geradores fotovoltaicos e de sistemas de armazenamento de energia simultaneamente em sistema de distribuição de energia elétrica, observando a minimização de perdas ativas na rede, enquanto restrições operacionais do sistema elétrico são satisfeitas. Para considerar adequadamente a característica de desequilíbrio das redes de distribuição, uma abordagem trifásica do alimentador é considerada utilizando o software OpenDSS. A resolução do problema é feita utilizando o algoritmo estocástico de busca Estratégia Evolutiva para otimização da função objetivo proposta. Para este propósito, implementou-se a técnica das Estratégias Evolutivas com adaptação da matriz de covariâncias da população, que visa melhorar a probabilidade de que bons indivíduos voltem a acontecer ao longo do processo evolutivo. Para ilustrar a metodologia, utilizou-se o sistema de distribuição teste IEEE-13 em três casos testes distintos. Os resultados obtidos ilustram adequadamente a formulação proposta e sua utilidade prática. A formulação resolvida através do algoritmo evolutivo apresenta bons resultados na redução de perdas técnicas do sistema, enquanto aloca simultaneamente os geradores fotovoltaicos e os sistemas de armazenamento no sistema elétrico de distribuição.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Este trabalho propõe uma metodologia de gerenciamento de energia de uma rede em um campus universitário, que possui uma usina solar fotovoltaica e um sistema de armazenamento de energia, operando conectado à rede principal. O método tem como objetivo minimizar a compra de energia da rede externa aplicando a ferramenta de otimização Recozimento Simulado para determinar o perfil diário de carga e descarga do banco de baterias, considerando restrições técnicas e operacionais. Nas simulações foram consideradas a dinâmica da demanda e da disponibilidade de recurso solar, bem como da tarifa de energia ao longo do dia, aproveitando a energia armazenada em momentos de tarifa mais barata e maior disponibilidade de geração solar em momentos de pico, reduzindo assim o custo diário de operação. Os resultados evidenciaram a aplicabilidade da ferramenta de otimização, determinando pontos de operação do sistema de armazenamento que maximizaram o aproveitamento dos recursos disponíveis. This work proposes a method of energy management of a university campus, with a photovoltaic solar generation source and a energy storage system, which are connected to the main grid. The developed method aims to minimize the purchase of energy from the external grid using the Simulated Annealing optimization method. It is considered in the simulations variable energy tariffs according to the period of the day applied by the local utility. The obtained results were satisfactory, since the applied management scheme managed to reduce energy consumption significantly throughout the day, taking advantage of the energy stored at cheaper tariff schedules and greater availability of solar generation at peak times, making a minimum daily cost while it reaches the constraints associated with the problem. The obtained results showed the applicability of the optimization method, through the determination of operating points of the battery bank that maximized the use of available resources

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.

Made available in DSpace on 2019-12-16T16:26:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5884_12075.pdf: 2027303 bytes, checksum: 94fcffef4acf7b2ab33e495b80489291 (MD5) Previous issue date: 2017-11-15

Made available in DSpace on 2018-09-03T15:09:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4520_8722.pdf: 2564778 bytes, checksum: 491926c91af52b67b2d1caa37d1b9eb3 (MD5) Previous issue date: 2015-10-28

Dissertação de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Satisfazer a procura de energia no momento e no local em que é necessária e sob a forma adequada é um dos principais desafios com que a sociedade é confrontada. O armazenamento de energia torna-se então essencial neste novo paradigma energético que recorre à utilização de energia renovável, a qual permite adequar o seu elevado grau de intermitência, armazenando nas horas de vazio, para utilização posterior nas horas de pico de consumo. Numa primeira fase será apresentado o enquadramento em que se insere o presente trabalho, procurando situar as tecnologias de armazenamento de energia na problemática das atuais circunstâncias dos sistemas elétricos de energia. De seguida mencionam-se todos os métodos de produção de energia renovável, para que posteriormente seja possível especificar quais os tipos de tecnologia de armazenamento de energia que serão adequados a determinado método. Serão assim expostos nesta dissertação os resultados da pesquisa efetuada sobre as diferentes tecnologias de armazenamento de energia, com relativo ênfase às baterias eletroquímicas, para possibilidade de referência relativamente a um estudo comparativo técnico-económico. De modo a demonstrar a utilidade que atualmente podem ter as baterias eletroquímicas assim como as suas tendências, referem-se aplicações destas, em sistemas eólicos e solares isolados, assim como em aplicações em veículos, denominados de Vehicle-to-Grid. Meet the demand for energy as soon as and at the place in which it is necessary and in the most adequate form is one of the major challenges that society is confronted with. Energy storage becames than essential in this new energy paradigm that resorts to the use of renewable energy, once it allows you to tailor its degree of intermittency, storing during off-peak, for later use during peak hours of consumption. Initially we will contextualize this work, in way to locate the energy storage technologies problematic in the current circumstances of electrical power systems. Then we will mention all methods of renewable energy production, so that later we can specify which types of energy storage technology better suits a certain method. Will be exposed in this Master’s thesis the results of research conducted on different energy storage technologies, with emphasis on the electrochemical batteries, enabling the reference to a technical and economic comparative study. In order to demonstrate the utility that can currently have the electrochemical batteries as well as its trends, we refer to these applications, in isolated wind and solar systems, as well as in uses in vehicles, called Vehicle-to-Grid.

A sociedade hoje em dia é maioritariamente dependente do petróleo, esta dependência é verificada sobretudo em setores industriais. Esta dependência é ainda mais acentuada na indústria automóvel, onde a maioria dos combustíveis provêm do petróleo. O fato de só alguns países possuírem reservas de petróleo faz com que se crie uma dependência destes países a esse produto. Esta dependência é prejudicial a nível económico e ambiental. A produção de CO2 e de outros gases para a atmosfera durante o processo de queima do petróleo tem causado fenómenos, como por exemplo, efeito de estufa, alterações climáticas, chuvas ácidas, buraco de ozono etc., o que tem levantado algumas preocupações em reduzir essas emissões de gases. Estas preocupações têm feito desenvolver novas tecnologias em diversos setores industriais visando sempre um desenvolvimento sustentável e processos mais eficientes. Um dos maiores setores consumidores de petróleo é o automobilista. Por isso, nesse setor tem-se verificado uma grande mudança no tipo de veículos fabricados. O setor tem evoluído no sentido de criar uma nova geração de veículos menos poluentes. Tem-se revisto por completo o conceito automóvel. Hoje um automóvel já não é visto como sendo um veículo térmico dependente do petróleo e altamente poluente. Agora tem-se focado em veículos independentes dessa matéria-prima tornando-os menos poluentes, de forma a diminuir o impacto no planeta terra. Ao longo destes últimos anos tem-se realizado enúmeres estudos para veículos mais eficientes e menos poluentes e isso tem-se notado no mercado com o aumento de veículos híbridos e elétricos. Um veículo híbrido nesse contexto é visto como um veículo que possui mais que uma fonte de energia para alimentar o seu sistema de tração, estas fontes de energia podem ser do mesmo tipo ou diferente. Um veículo elétrico é um veículo que possui somente uma fonte de energia que neste caso será elétrica para alimentar o seu sistema de tração. Na maioria dos casos essa fonte serão baterias. Também existirão veículos híbridos elétricos, ou seja, veículos com mais que uma fonte de energia mas neste caso as duas ou mais fontes serão elétricas. Contudo o desenvolvimento deste tipo de veículo pode não ser a solução mais eficiente. Isto porque, um veículo elétrico necessita de energia elétrica para recarregar as suas fontes de energia. O problema coloca-se na forma como é obtida essa energia. Estudos indicam que é mais rentável utilizar veículos térmicos do que elétricos, dependendo do modo de produção da energia elétrica. Centrais a gás natural mas sobretudo a carvão libertam grandes quantidades de CO2 no processo de produção de energia tornando esta solução tão ou mais poluente que os veículos térmicos. A solução ideal seria a utilização de fontes renováveis tais como, eólicas, fotovoltaica, biomassa etc.. Por isso, a implementação do uso de veículos Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo elétricos no nosso quotidiano tem que ser um compromisso entre diversos setores da sociedade. Um dos setores influêntes é o setor politico.Esse setor terá de porpocinonar formas e condições para a implementação deste tipo de veículos na sociedade. Outros setores serão os de marketing para realçar as vantagens de o uso desse tipo de transporte. Por fim, o ultimo setor será o setor automóvel, esse setor tem como tarefa apresentar produtos atrativos e a preços acessíveis. Este estudo foi realizado com a colaboração do “Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille, L2EP”. Este laboratório é especializado em controlo de sistema electromecânicos como por exemplo, metros, carros elétricos, tendo também experiência em sistemas de produção de energia como sistemas eólicos e painéis fotovoltaicos. O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de armazenamento de energia híbrido elétrico para veículos elétrico e da sua estratégia de gestão de energia. Este sistema é constituído por baterias e supercondensadores. Para a representação deste sistema foi utilizado um formalismo desenvolvido pelo L2EP, “Energetic Macroscopic Representation” utilizando a ferramenta do Matlab Simulink. Este formalismo é desenvolvido pelo “Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissanse de Lille, L2EP”e baseia-se no efeito de causalidade. Para definir a cadeia de controlo é necessário inverter diretamente cada um dos elementos. Com esta forma de deduzir o controlo encontramos diretamente onde serão necessários colocar controladores. Assim sendo, o controlo do sistema é conseguido de forma sistemática. De forma a distinguir cada um dos elementos, consoante as suas características, utilizam-se cincos diferentes pictogramas. Estes são: Fontes de energia; Elementos de acumulação; Elementos de conversão mono físicos Elementos de conversão multi físicos; Elementos de acoplamento; O sistema estudado é um veículo elétrico “TAZZARI”. Este veículo pertence ao L2EP e é utilizado para desenvolver projetos académicos ou projetos de doutoramentos. O seu sistema de tração é constituído por um motor de indução trifásica, inversor, um diferencial, rodas e o seu chassis. O sistema de armazenamento de energia estudado é um híbrido elétrico constituído por baterias, supercondensadores e um conversor de eletrónica de potência. Este tipo de veículos possui custos ainda muito elevados e autonomias relativamente baixas quando comparadas com veículos térmicos. Isto deve-se ao seu sistema de armazenamento de Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo energia possuir uma densidade energética inferior à dos combustíveis utilizados nos veículos térmicos. Estas fontes de energia são tipicamente baterias devido à sua grande densidade de energia elétrica. É essa densidade energética que permite obter a sua autonomia. Em contra partida uma bateria possui baixa densidade de potência, e esta característica torna-se prejudicial quando o sistema de tração requer grandes quantidades de potência, em momentos de grandes acelerações por exemplo. Nestes momentos de alta potência as baterias poderão fornecer essa potência mas degradando o seu tempo de vida. O fato de o sistema ser constituído por baterias, trás desvantagens em relação aos seus custos. De fato este componente é dos mais caros neste tipo de veículos. Baterias têm um tempo de vida em modos de utilização aconselháveis de aproximadamente 5 anos. Como foi explicado, uma bateria não é o mais adequado para alimentar este tipo de tração. Neste momento no mercado não existe nenhuma fonte de energia que seja capaz de satisfazer plenamente o sistema em termos de potência e energia. Existe então uma necessidade de encontrar soluções para aumentar o seu tempo de vida de forma a baixar os custos associados à manutenção. Esta solução tem passado por criar sistemas de armazenamento de energia híbridos. Diversos estudos têm sido desenvolvidos sobre este tipo de sistemas. Tem-se estudado diversas topologias, existindo duas grandes categorias, passiva e ativa, sendo estas possuidoras de características distintas:  Passiva: nesta topologia as duas fontes encontram-se conectadas diretamente em paralelo;  Ativa, esta topologia possui diversas sub-topologias: “Cascade converters” “Paralell Multi-inputs converter” “Multiple converters” Supercondensadores/Baterias Baterias/Supercondensadores Para o controlo deste tipo de sistemas é necessário aplicar uma estratégia de gestão de energia de forma a conseguir gerir da melhor forma possível os fluxos de energia entre as duas fontes. Algumas das estratégias já estudadas são:  Filtragem  Corrente de saturação  “Switch”  Aceleração Energetic Macroscopic Representation of an Hybrid Energy Storage System For an Electrical Vehicle Resumo Neste trabalho é estudada a topologia ativa, supercondensadores/baterias. Esta topologia possui duas grandes vantagens. Possui um DC-Bus praticamente constante, dado ter a bateria a garantir o nível tensão e utilizar os supercondensadores com alto rendimento para conseguir-se aproveitar grande parte da potência armazenada. A estratégia utilizada é a estratégia de filtragem. Esta estratégia permite filtrar a potência de tração necessária em altas e baixas frequências. A potência de tração possui altas frequências, que corresponde a níveis de potência elevados e baixas frequências que corresponde a níveis de energia elevados. Como foi dito anteriormente as baterias conseguem alimentar um sistema com muita energia mas não conseguem, sem degradar o seu tempo de vida, fornecer altas potências. Com esta estratégia é possível separar isso e fazer com que as baixas frequências sejam alimentadas pelas baterias e as altas pelos supercondensadores. Contudo a estratégia é definida por um conjunto de regras definidas de forma a assegurar a segurança do utilizador e dos componentes. Nessa estratégia existe a particularidade de poder recuperar alguma da energia reenviada pelo sub sistema de tração durantes as fases de travagem. Esta característica permite-nos recarregar as baterias e os supercondensadores. Tendo isto como objetivo os supercondensadores serão dimensionados consoante a potência necessária para o sistema de tração e as baterias serão dimensionadas para a necessidade energética . Na representação do sistema foram expostos todos os elementos constituintes do sistema. Foram considerados para cada um dos modelos os fenómenos mais relevantes para a análise final do sistema. A parte do controlo é obtida através da inversão direta de todos os elementos à exceção dos elementos de acumulação, onde essa inversão direta não é possível. Nesse elemento o controlo é feito com a ajuda de controladores do tipo IP, integral proporcional. Foi feita a escolha desses controladores para evitar “overshoots” e em certos casos para resolver problemas de “algebric loops”. De forma a simular o comportamento de um condutor, foi utilizado um “cycle drive” para veículos elétricos, “World-Wide Harmonized Light” “WLTC”. Este tipo de ciclo possui diversas classes conforme o rácio entre a massa do veículo e a potência da máquina elétrica. Os resultados obtidos não foram integralmente os esperados. Verifica-se, em alguns momentos, que os supercondensadores não fornecem a parte de altas frequências devido a limitações impostas pela estratégia de energia. Como trabalho futuro propõe-se desenvolver outro tipo de estratégia de forma a obter resultados mais eficientes aplicando outra tipo de fonte como auxílio às baterias.