O objetivo principal deste trabalho é avaliar a efetividade da previsão de geração de energia elétrica realizada por meio de simulação de um sistema fotovoltaico integrado por módulos de diferentes características, dispostos em série e conectados à rede de distribuição, sem inversor. Para isto foi utilizado o programa Crearray, desenvolvido no Laboratório de Energia Solar da UFRGS, que permite determinar o ponto de polarização do arranjo e comparar com dados medidos experimentalmente. Foi montado um arranjo fotovoltaico integrado com módulos de diferentes características conectados à rede de distribuição por meio de um inversor. A curva característica de cada um dos módulos foi determinada por ensaio em um simulador. Os dados da curva permitiram determinar os parâmetros dos modelos utilizados no programa Crearray. Para avaliar o funcionamento do programa os dados de tensão em corrente contínua foram inseridos no software e as respectivas correntes foram calculadas. Os valores de corrente calculados e os valores medidos mostraram a eficiência do programa em calcular a curva característica para diferentes condições de irradiância e de temperatura. Utilizando o mesmo programa encontrou-se o ponto de polarização do arranjo ao longo do tempo para o ponto de máxima potência e, desta forma, também a corrente e a potência máxima do lado de corrente contínua do sistema. Na comparação desta potência máxima teórica com a potência efetivamente medida no lado de corrente contínua do sistema, pôde-se constatar que nem sempre o inversor consegue determinar a tensão exata para estabelecer a potência máxima. Na comparação dos dados medidos e simulados observa-se concordância. Da comparação dos valores em horários sem interferência de sombras, foi obtida uma medição da eficiência do seguidor de máxima potência do inversor, em modo dinâmico. Observando os dados adquiridos também foi estimada a eficiência dinâmica de conversão do inversor para um dia. / The main objective of this dissertation is to confirm the forecast of electricity production through the simulation of a photovoltaic system. Such system is composed by modules with different characteristics, arranged in series and connected to the distribution network. The simulation was performed with the help of Crearray, a computer program developed at the Solar Energy Laboratory of UFRGS, which determines the bias point of the array and compares it with experimentally measured data. A photovoltaic array, constituted by modules with different characteristics, was assembled and connected to the distribution network through an inverter. The characteristic curve of each module was previously determined in a solar simulator test. The curve data was used to evaluate the parameters of the curve models used by Crearray software. To verify the correct operation of the program, the DC voltage data was entered to the software and the related current was calculated. The comparison between calculated and measured current values showed the Crearray ability to calculate the characteristic curve for different conditions of irradiance and temperature. Furthermore, the program was used to calculate the maximum power point of the array along the time and thus the delivered DC power. Comparing this theoretical maximum power with the power actually measured at the DC side of the system, it was verified that the inverter sometimes was not able to determine the correct bias voltage to extract the maximum power. Comparison of measured and simulated data showed an excellent concordance, except for certain times when there was shading on the reference cell. Comparing the values over periods without the interference of shadows, it was possible to estimate the MPPT efficiency of the inverter under dynamic mode. Analyzing the acquired data was also possible to estimate the inverter dynamic conversion efficiency for a day.

Comumente, as máquinas de indução são projetadas para atuarem como motores. Assim, a presente tese objetiva estudar, analisar e construir um protótipo de máquina de indução concebida para atuar, exclusivamente, como gerador de indução, ou seja, impulsionada acima da velocidade síncrona. As características operacionais ideais em regime permanente são elaboradas intentando diretrizes de projeto. Concomitantemente, o estudo apresenta e investiga modelagens analíticas obtidas por parâmetros concentrados e, também, modelagens numéricas realizadas pelo método dos elementos finitos. Para isto, um gerador de indução trifásico de 2,2 kW tem o rotor do tipo gaiola de esquilo com ranhuras assimétricas projetado e prototipado. O protótipo do gerador de indução visa melhores características de desempenho como o fator de potência e menores perdas, por exemplo, que uma máquina de indução de mesma potência projetada para atuar como motor, mas funcionando como gerador interligado à rede em regime permanente. Os resultados analíticos, numéricos e experimentais em regime permanente do protótipo do gerador de indução e de um motor de indução de mesma potência, mas funcionando como gerador interligado à rede, são apresentados e comparados. Os resultados experimentais obtidos mostram valores nominais de 0,77 e 83,04% de fator de potência e rendimento, respectivamente, para o funcionamento da máquina convencional no ponto de operação próximo ao valor de corrente nominal. Para a máquina de indução projetada como gerador, os valores nominais de 0,82 e 81,35% de fator de potência e rendimento, respectivamente, foram obtidos no ponto de operação próximo ao valor de corrente nominal. / Commonly, induction machines are designed to act as motors. Thus, the present thesis aims to study, analyze and build a prototype of an induction machine designed to work exclusively as induction generator, i.e. driven above synchronous speed. The optimal steady state operating characteristics are elaborated by bringing design guidelines. Concomitantly, this study investigates and presents analytical modeling obtained by lumped parameters and also numerical modeling carried out by the finite element method. Thus, a three-phase squirrel cage induction generator of 2.2 kW with asymmetric rotor slots has designed and prototyped. The prototype of the induction generator aims best performance characteristics such as power factor, for example, than an induction machine of the same power designed to act as a motor, but functioning as generator parallel with the grid. Analytical, numerical and experimental results in steady state operation of the induction generator prototype and of an induction motor of the same power, but functioning as generator parallel with the grid, are presented and compared. The experimental results show nominal values 0.77 and 83.04% of power factor and efficiency, respectively, for the conventional machine in the operating point close to the value of rated current. For the induction machine designed as a generator, the nominal values 0.82 and 81.35% of power factor and efficiency, respectively, were obtained in the operating point close to the value of rated current.

Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão, pelas próprias condições de funcionamento, sujeitos a perdas de energia e quedas nos níveis de tensão. Uma das formas de reduzir as perdas e ao mesmo tempo melhorar o perfil de tensão do SDEE consiste na utilização de bancos de capacitores e reguladores de tensão ao longo dos alimentadores. Para isto a alocação ótima destes equipamentos torna-se de fundamental importância, logo este trabalho tem por objetivo a utilização de um método quadrático de programação por metas multiobjetivo para a ótima alocação desses equipamentos visando a redução de perdas (meta 1) com o menor custo de investimento (meta 2) sujeito a restrições do fluxo de potência, limites técnicos de operação, mudança no controle dos capacitores chaveados e dos taps dos reguladores de tensão. O constante aumento na penetração da geração distribuída traz novos desafios para o controle e a operação dos SDEE. A metodologia proposta considera os efeitos destas fontes de geração e os seus impactos na alocações ótima dos bancos de capacitores e reguladores de tensão. Com o intuito de resolver o problema de otimização em programas comerciais como Gurobi e Cplex uma metodologia linear de cálculo de fluxo de potência é utilizada. Os algoritmos foram desenvolvidos no software Matlab, e posteriormente foi realizada a conversão para linguagem GAMS (Generic Algebraic Modeling System) para utilização dos solvers na plataforma NEOS (Network Enabled Optimization System). / Power distribution systems (DS) are susceptible to energy loss and voltage drops, mainly because of the way that they are operated and built. One way to minimize system loss and improve the voltage profile of DS is with the use of capacitor banks and voltage regulators (VRs) along the distribution feeders. In this scenario, the optimal placement of these devices becomes crucial. In this paper, a quadratic multi objective goal programming method is proposed to obtain the optimal placement of these devices, where the goals are energy loss (goal 1) and the total investment cost (goal 2). The model is subject to system operation constraints, such as power flow demands, limits of voltages and currents, number of stages of switched capacitors and the tap control of VRs. The increase of distributed generation penetration brings new challenges for control and operation of DS. The proposed methodology considers the effects of these power sources and their impact on optimal allocations of capacitors and VRs. With the aim of solving the optimization problem in commercial programs, a linear power flow is used. The algorithms were developed with Matlab software and the conversion was made to a General Algebraic Modeling System (GAMS) language and solved in the NEOS (Network Enabled Optimization System) platform.

Esta dissertação apresenta um modelo aproximado de rede desenvolvido para análise de sistemas de distribuição em regime permanente. O modelo é detalhado do ponto de vista matemático e teórico considerando a representação dos elementos em derivação da rede (cargas e geradores) e dos limites operacionais empregando aproximações lineares. A modelagem linear permite determinar de forma simples os valores das tensões e correntes do sistema, podendo ser empregada em problemas de otimização relacionados ao planejamento e expansão de sistemas de distribuição. A representação da carga considera a influência da variação da tensão, fator determinante nas redes de distribuição. Também é considerada a inclusão de geração distribuída (GD) sendo implementada para diferentes modos de operação, permitindo ainda a minimização das perdas para a barra onde a GD está alocada. Para validar a abordagem proposta, os resultados do modelo apresentado foram comparados em termos de tensões, correntes e perdas com resultados obtidos com o modelo convencional de fluxo de carga, solucionado pelo algoritmo de varredura. Os testes foram realizados em dois sistemas de distribuição conhecidos, um de 70 barras e um de 135 barras. Para o sistema de 70 barras foi avaliado o uso de diferentes modos de operação da GD. Finalmente, para o sistema de 135 barras foram comparados os resultados do modelo proposto com o fluxo de carga convencional caracterizando a GD como uma barra de tensão controlada (PV) para diversos valores de injeção ativa na barra selecionada. As conclusões confirmam a validade e as vantagens que o modelo desenvolvido neste trabalho proporciona. / This work presents an approximate model developed to the analysis of electrical distribution systems at steady state. Both mathematical and theoretical details are given considering the representation of the shunt elements (loads and generators) and the operating limits of the network, using linear approximations. The linear modeling adopted resulted in a simple way to determine the values of the voltages and currents of the system; further the model can be applied to optimization problems related to optimal operation and expansion planning of distribution systems. The load representation considers the influence of voltage variations, which play an important role in the distribution networks. This work also considers the inclusion of distributed generation (DG), which is assessed under several modes of operation, including one mode which allows to minimize the losses at the node where the DG is located. To validate the proposed approach, the results for two example networks, given in terms of voltages, currents and losses, were compared with corresponding results obtained with conventional load flow model, solved by the backward-forward sweep method. The examples networks used to test and validate the model are known distribution systems, one having 70 and the other 135 nodes. Regarding the system with 70 nodes, the inclusion of DG was studied for several operational modes. Finally, the system of 135 nodes were used to compare the results of the proposed model with the results of the conventional load flow; in this case, the GD was characterized as a controlled-voltage bar (PV) for various levels of active power injection into the bar where the GD is located. The conclusions show the validity and advantages of the proposed model.

Este trabalho caracteriza a Geração Distribuída de eletricidade, no Brasil, por meio de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR), a partir de aspectos técnicos, econômicos e regulatórios. O país possui, atualmente, 35 SFCR em operação, totalizando uma potência instalada de 161,32 kWp. A maior parte dessa potência se encontra nas Regiões Sul e Sudeste e foi implementada por universidades, centros de pesquisa e concessionárias de energia elétrica, com uma pequena participação da iniciativa privada. Foi calculado o custo de geração, a partir da energia solar, utilizando-se SFCR, para dezesseis localidades estrategicamente selecionadas. Esse valor varia em função da maior ou menor disponibilidade do recurso solar e da taxa de desconto adotada, tendo sido encontrado o valor médio de US$ 0,56 /kWh, cerca de 2,1 vezes maior que a tarifa residencial média nas mesmas cidades. Argumentando-se que a tarifa convencional tende a crescer nos próximos anos, pressionada pelo descompasso entre oferta e demanda, e que o custo de geração fotovoltaico tende a diminuir, no mesmo período, devido a ganhos de produtividade no processo de fabricação de componentes fotovoltaicos, elaborou-se um modelo matemático para prever o momento em que esses dois indicadores equiparar-se-ão. Verificou-se que o tempo médio de equiparação será de 7 anos, podendo ser menor que 5,0 anos em localidades onde a tarifa é mais cara que a média nacional e a irradiação média anual é superior à verificada no restante do país. Por fim, o trabalho analisa o enquadramento que a legislação faz dos geradores fotovoltaicos interligados à rede pública de distribuição, apontando os pontos favoráveis e os entraves legais à disseminação dos SFCR. / This work characterizes the Distributed Generation of electricity from Grid-Connected Photovoltaic Systems (GCPS) in Brazil, according to technical, economic and regulatory aspects. The country currently has 35 GCPS in operation, totaling an installed power of 161.32 kWp. Most of this power is in the South and Southeast and has been implemented by universities, research centers and electric power utilities, with a small participation of private initiative. The solar energy generation cost from GCPS was calculated for sixteen strategically selected localities. This value varies varies according to the greater or minor availability of the solar resource and the adopted discounting rate. The average value found was 0.56 US$ /kWh, about 2,1 times bigger than the average residential tariff in the same cities. Arguing that the conventional tariff tends to grow in coming years, pressed by the imbalance between supply and demand, and that the cost of photovoltaic generation tends to decrease over the same period due to productivity gains in the manufacturing process of photovoltaic components, a mathematical model was developed to predict the time that these two indicators will be equal. It was found that the average time of equalization will be 7.0 years and may be less than 5.0 years in locations where the conventional energy is more expensive than the national average and average annual irradiation is higher than that in the rest of the country. Finally, this work presents how the Brazilian legislation deals with the photovoltaic generators connected to the public distribution network, showing the points for and legal obstacles to the dissemination of GCPS.

No Brasil, quando uma unidade consumidora (UC) sob regime de microgeração ou de minigeração distribuída tem parte ou a totalidade da sua demanda por potência ativa suprida pela planta geradora, mas sua demanda por potência reativa é atendida exclusivamente pela rede elétrica, verifica-se uma aparente deterioração do fator de potência dessa UC, sob a ótica da concessionária. Esse efeito decorre do fato de que o fator de potência, de acordo com a regulamentação vigente, é determinado apenas a partir das medições dos fluxos de potência ativa e reativa trocados entre a UC e a rede elétrica e não também entre a planta geradora e UC. Para consumidores do Grupo A (tensão de fornecimento igual ou superior a 2,3 kV) nessa situação, de acordo com o perfil da carga, pode haver cobrança por excedentes de reativos, constituindo-se assim uma barreira. Especificamente no caso de sistemas fotovoltaicos conectados à rede, existe a possibilidade de se utilizar os próprios inversores c.c.-c.a para suprir a demanda de reativos da UC e, dessa forma, minimizar o problema apresentado. Com o objetivo de se avaliar essa alternativa no contexto brasileiro, tendo-se em vista condições reais de operação e os limites normativos de injeção de potência reativa para inversores de sistemas fotovoltaicos, foi realizado um estudo de caso de uma planta fotovoltaica instalada no telhado do prédio da Administração do Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo. O estudo mostrou que a compensação realizada por meio do inversor selecionado evitou a cobrança de excedentes de reativos sem afetar de forma significativa a produtividade do sistema fotovoltaico. Do ponto de vista elétrico, verificou-se que a injeção de reativos pelo inversor não provocou variações significativas de tensão no ponto de acoplamento ou no alimentador e, ainda, se verificou considerável liberação de capacidade do sistema supridor da concessionária. Dessa forma, a análise dos resultados indica uma tendência a se considerar a compensação de reativos proporcionada pelo próprio inversor a opção mais viável para se lidar com os excedentes de reativos, comparativamente a métodos convencionais de compensação ou à situação em que nenhuma ação compensatória seja implementada. / In Brazil, when a consumer unit (CU) under a distributed microgeneration or minigeneration scheme has part or all of its demand for active power supplied by the generating plant, but its demand for reactive power is served exclusively by the grid, the power factor of this CU appears deteriorated, from the perspective of the utility. This effect is due to the fact the power factor, according to the current regulations, is determined only from measurements of the flows of active and reactive power exchanged between the UC and the grid and not also between the generating plant and UC. Users of group A (supply voltage equal to or greater than 2.3 kV) in this situation, according to the CU load profile, may be charged due the reactive power excess, thus constituting a barrier. Specifically in the case of grid-connected photovoltaic systems, there is the possibility of using the d.c.- a.c. inverters to suply the CU reactive power demand and, thus, minimizing the presented problem. In order to evaluate this alternative in the Brazilian context, keeping in view real operating conditions and regulatory limits for the reactive power injection for photovoltaic inverters, we conducted a case study with a photovoltaic plant installed on the roof of the University of São Paulo Institute for Energy and Environment administration building. The study showed that the compensation performed by the selected inverter prevented the reactive power excess charging without affecting significantly the photovoltaic system productivity. From an electrical point of view, it was found that the injection of reactive power by the inverter did not cause significant voltage variations at the coupling point or at the transformer and, additionally, there was a significant release in the utility suply system capacity. Thus, the analysis results indicates a tendency to consider the compensation provided by the inverter itself the most viable option for dealing with the surplus of reactive power compared to conventional compensation methods or to the situation in which no compensatory action is implemented.

Este trabalho buscou entender a situação da atividade de fabricação de módulos fotovoltaicos no Brasil com o objetivo de avaliar a possibilidade de estimular a indústria nacional e o uso dessa fonte alternativa mais acentuadamente. Para tanto, foi necessário analisar os benefícios energéticos e econômicos da cadeia de produção, além de entender o estado da arte atual de todo o processo. É um ramo industrial que está sendo implantado no Brasil e este estudo teve como objetivo obter informações relevantes dos problemas e facilidades que os empreendedores enfrentam, e quais são os custos e benefícios à sociedade em geral, inclusive para obtenção dos sistemas fotovoltaicos pelo consumidor final. O trabalho contém uma avaliação do estado da produção e utilização dos sistemas de energia solar fotovoltaica no mundo e o que ocorre no Brasil. Buscou-se conhecer as possíveis, e/ou mais relevantes, ações regulatórias e iniciativas da área privada para viabilizar este ramo industrial. São considerados os impactos da atividade em pauta, procurando mostrar as relações de custo-benefício em projetos de geração centralizada (Leilões de Energia de Reserva) e de geração distribuída. / This study aims to understand the status of the manufacturing activity of photovoltaic modules in Brazil to evaluate the possibility of stimulating the local production and its widespread use. It was necessary to evaluate the energetic and economic benefits of the production chain. In addition, the study focused the understanding of the current state of the art of the whole process. Photovoltaic solar energy is an industrial branch recently receiving impulse in Brazil. This study aims to obtain relevant information about the difficulties faced by the entrepreneurs and the benefits and costs to the society. The study assess the state of the production and use of solar PV systems in the world and what happens in Brazil. At this study, we sought to understand what are the possible, and/or more relevant, regulatory actions and private area initiatives to enable this industrial branch and its diffusion to the final consumers. The impacts of the related activity are considered, trying to show the cost-benefit relationship in centralized generation projects (Reserve Energy Auctions) and distributed generation.

Esta dissertação aborda aspectos gerais relativos à utilização de um conversor CC-CC que opera conectado à rede de distribuição e que emprega como fonte primária células a combustível. Neste trabalho, a modelagem matemática em espaços de estados (pequenos sinais e média) dos conversores Boost e Boost Interleaved com Multiplicador de Tensão (IBVM), assim como as arquiteturas de controle utilizadas em modo tensão, corrente média e corrente de pico são comparadas para determinar qual delas apresenta melhor desempenho. Devido ao fato das células a combustível apresentarem tensão terminal baixa e corrente terminal elevada, há a necessidade de utilizar conversores eletrônicos com alto ganho para equalizar a tensão produzida pela fonte com o nível de tensão presente na rede de distribuição. Tendo isso em vista, este trabalho mostra uma análise do ganho estático de tensão do conversor Boost e IBVM considerando os efeitos das resistências parasitas dos componentes utilizados e da carga conectada nos terminais de saída do conversor. Como resultado da modelagem matemática do ganho, é mostrado um conjunto de equações que definem o valor mínimo de resistência do semicondutor de potência, indutor, capacitor do multiplicador de tensão e a máxima carga que os conversores Boost e Boost Interleaved com Multiplicador de Tensão podem suprir. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados teóricos e de simulação obtidos. / This thesis addresses general aspects concerning the application of DC-DC converters applied to a grid connected Fuel Cell system. It is discussed in this thesis the averaged and small signals space state modeling of the Boost and Interleaved Boost with Voltage Multiplier (IBVM) converter, it is also mentioned the control architectures in voltage mode, average current mode and peak current mode. The voltage and average current mode control architectures are simulated and implemented in hardware in order to be compared. Due to the fact that Fuel Cells present low terminal voltage and high current, it is needed to use high gain DC-DC converters with the aim connect the system to the grid. This thesis also presents an approach in the analysis of DC-DC converter static voltage gain considering the effect of the parasitic resistances and the load connected to the converter terminals. As a result of the gain analysis, it is presented a set of equation, from which is possible to determine the maximum value of the parasitic resistances for the switch, inductor and capacitor of the voltage multiplier. It is also calculated the maximum value of load connected to the Boost and Interleaved Boost with Voltage Multiplier converters with the aim to present the designed voltage gain. Additionally, by the maximum load value calculated it is possible to determine the maximum power that the converter will be capable to process, considering a specific point of operation. Finally, the designed DC-DC converter is implemented with the aim to validate the theoretical and simulation results.

Este trabalho tem como objetivo investigar a máquina de indução funcionando como gerador. Para isso, são pesquisadas as normas e requisitos para operação interligada à rede de distribuição até o presente momento. Os parâmetros elétricos referente ao circuito equivalente monofásico da máquina de indução de 15 kW, pertencente a um grupo gerador a biogás, são levantados, realizando-se uma caracterização e modelamento destes parâmetros. Os resultados teóricos obtidos têm o intuito de predizer o comportamento das grandezas elétricas quando o grupo gerador operar em condições nominais, interligado a rede de distribuição. Também, estes resultados teóricos são comparados com valores medidos em ensaios de campo utilizando um motor CC de 10 kW como máquina primária. / This study aims at investigate the induction machine operating as a generator. For this, we researched the standards and requirements for the operation connected to the distribution grid to the present date. The electrical parameters concerning the equivalent circuit per phase of a 15 kW induction machine are raised, this machine is part of a small biogas plant. An appropriate characterization and modeling of these parameters are realized and the theoretical results obtained are intended to predict the behavior of electrical units when the generator is placed at nominal operation. Also, these theoretical results are compared with experimental measurements using a 10 kW DC motor as primary mover.

Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE) estão, pelas próprias condições de funcionamento, sujeitos a perdas de energia e quedas nos níveis de tensão. Uma das formas de reduzir as perdas e ao mesmo tempo melhorar o perfil de tensão do SDEE consiste na utilização de bancos de capacitores e reguladores de tensão ao longo dos alimentadores. Para isto a alocação ótima destes equipamentos torna-se de fundamental importância, logo este trabalho tem por objetivo a utilização de um método quadrático de programação por metas multiobjetivo para a ótima alocação desses equipamentos visando a redução de perdas (meta 1) com o menor custo de investimento (meta 2) sujeito a restrições do fluxo de potência, limites técnicos de operação, mudança no controle dos capacitores chaveados e dos taps dos reguladores de tensão. O constante aumento na penetração da geração distribuída traz novos desafios para o controle e a operação dos SDEE. A metodologia proposta considera os efeitos destas fontes de geração e os seus impactos na alocações ótima dos bancos de capacitores e reguladores de tensão. Com o intuito de resolver o problema de otimização em programas comerciais como Gurobi e Cplex uma metodologia linear de cálculo de fluxo de potência é utilizada. Os algoritmos foram desenvolvidos no software Matlab, e posteriormente foi realizada a conversão para linguagem GAMS (Generic Algebraic Modeling System) para utilização dos solvers na plataforma NEOS (Network Enabled Optimization System). / Power distribution systems (DS) are susceptible to energy loss and voltage drops, mainly because of the way that they are operated and built. One way to minimize system loss and improve the voltage profile of DS is with the use of capacitor banks and voltage regulators (VRs) along the distribution feeders. In this scenario, the optimal placement of these devices becomes crucial. In this paper, a quadratic multi objective goal programming method is proposed to obtain the optimal placement of these devices, where the goals are energy loss (goal 1) and the total investment cost (goal 2). The model is subject to system operation constraints, such as power flow demands, limits of voltages and currents, number of stages of switched capacitors and the tap control of VRs. The increase of distributed generation penetration brings new challenges for control and operation of DS. The proposed methodology considers the effects of these power sources and their impact on optimal allocations of capacitors and VRs. With the aim of solving the optimization problem in commercial programs, a linear power flow is used. The algorithms were developed with Matlab software and the conversion was made to a General Algebraic Modeling System (GAMS) language and solved in the NEOS (Network Enabled Optimization System) platform.