Made available in DSpace on 2016-08-17T16:54:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Jose Gomes de Matos.pdf: 8310310 bytes, checksum: b4d88d65be5edbb4f214f9dd09ed8f3b (MD5) Previous issue date: 2014-03-31 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work proposes a new strategy to control the generated power in an alternating current autonomous microgrid that has distributed generators and battery banks. There are no restrictions regarding the type of generator to be connected, however in this particular study the effectiveness of the proposed strategy is analyzed by considering that the power source is a wind turbine coupled to a permanent magnet synchronous generator. The microgrid analyzed consists of at least one bidirectional electronic converter powered by a battery bank, which has the function of forming the microgrid; an electronic converter connected to a wind turbine generator, which operates as a power supplier to the microgrid; loads, and other peripheral systems of control and maneuver. The main objective of the proposed strategy is to maintain the terminal voltages of battery banks under control and below its upper limit, even when momentarily the power demanded by the loads connected to the microgrid is less than the power sources generation capacity. The proposed strategy controls the terminal voltage of the battery banks, controlling the power output that comes from the generators. This is done without the use of dump loads or any physical communication between the electronic converters connected to the battery banks and the electronic converters connected to the generators. A modified droop control technique, based on the grid frequency, is used to inform to the power generator electronic converters on the amount of energy they need to generate in order to maintain the state of charge of the battery banks below their limits. The work also presents the methodology to design and tuning the controllers of the associated variables of the generation system. This includes the voltage and frequency grid, the active and reactive power generated by the generators, the DC bus voltages in all electronic power converters and the terminal voltage of the battery banks. All controllers are designed in the discrete domain. A strategy to decouple the effects of the input disturbances is incorporated, into each controller. Special attention is given to the grid voltage controller due the fact that the effect of the load current disturbance is very significant for the grid power quality. Issues x related to the operation of the wind turbine on its maximum power point are also addressed in the control of the power electronic converter connected to the generator. The control strategy proposed in this study is validated through experimental results obtained using a microgrid prototype of 15 kW rated power. / Este trabalho propõe uma nova estratégia para controle da potência gerada em uma microrrede isolada, que opera em corrente alternada e que dispõe de geradores e bancos de baterias distribuídos ao longo da mesma. Embora não haja restrições quanto ao tipo de gerador a ser conectado à microrrede, neste estudo a aplicabilidade da estratégia proposta é analisada considerando a fonte de potência como sendo uma turbina eólica acoplada a um gerador síncrono a imãs permanentes. A microrrede estudada é composta de um conversor eletrônico bidirecional, alimentado por um banco de baterias, que tem a função de formar a microrrede; um conversor eletrônico ligado ao gerador da turbina eólica e que funciona como alimentador da microrrede; além das cargas e demais sistemas periféricos de controle e manobra. O principal objetivo dessa estratégia é controlar a tensão terminal dos bancos de baterias abaixo de um determinado valor limite, mesmo quando momentaneamente a potência demandada pela carga conectada à microrrede seja inferior à capacidade de geração das fontes de potência. A estratégia proposta controla a tensão dos bancos de baterias, controlando a energia gerada que vem dos geradores. Isto é feito sem a utilização de carga auxiliar para consumir o excesso de energia e sem comunicação física entre os conversores eletrônicos dos bancos de baterias e os conversores eletrônicos conectados aos geradores. Uma técnica de controle droop modificada, com base na frequência da microrrede, é usada para informar aos conversores dos geradores sobre a quantidade de energia que eles estão liberados para gerar, a fim de manter a tensão dos bancos de baterias abaixo dos seus valores limites. O trabalho ainda apresenta as sistemáticas de projeto e sintonia dos controladores das variáveis associadas com o sistema de geração. Isso compreende o controle da tensão e da frequência da microrrede, o controle das tensões nos barramentos de corrente contínua de todos os conversores eletrônicos de potência e o controle da tensão terminal dos bancos de baterias. Todos os controladores são projetados no domínio discreto. Uma estratégia de desacoplamento dos efeitos das entradas de perturbações é incorporada a cada controlador. Nesse enfoque, é dada atenção especial ao controlador de tensão da microrrede, cujo efeito da viii perturbação da corrente da carga é muito significativo para a qualidade de energia do sistema de geração. As questões relativas à maximização do aproveitamento energético das fontes renováveis são contempladas no controle do conversor da turbina eólica. A estratégia de controle proposta neste trabalho é validada a partir de resultados experimentais obtidos com um protótipo de microrrede de potência nominal 15 kw.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-03-27T13:46:07Z No. of bitstreams: 1 jonathanhunderdutragherardpinto.pdf: 6016290 bytes, checksum: 50eab93d008d20c4a60c851574b2c6f3 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-03-27T13:57:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 jonathanhunderdutragherardpinto.pdf: 6016290 bytes, checksum: 50eab93d008d20c4a60c851574b2c6f3 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-27T13:57:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 jonathanhunderdutragherardpinto.pdf: 6016290 bytes, checksum: 50eab93d008d20c4a60c851574b2c6f3 (MD5) Previous issue date: 2018-02-19 / Este trabalho tem como contribuição o desenvolvimento de uma estratégia de equa-lização das tensões em um conversor multinível modular, como parte integrante de um sistema híbrido de armazenamento de energia. O conversor modular multinível realiza a conexão em série de módulos supercapacitores, o que possibilita aumentar a ten-são sem prejudicar a transferência rápida de energia. Em relação à outras topologias, este trabalho permite reduzir a quantidade, volume e massa do elemento magnético da estrutura do conversor. Um banco de baterias de íons de lítio também integra o sistema por intermédio de um conversor estático. Como é a fonte de maior densidade de energia, fornece a potência média requerida pelo carga. A associação com uma fonte de transferência rápida de energia permite aumentar o desempenho dinâmico, a eficiência energética e a vida útil da bateria. Com efeito, tem-se um sistema híbrido de armazenamento de energia que requer estratégias de gestão para múltiplas fontes de suprimento. Os resultados simulados considerando a estimativa da demanda de po-tência de um protótipo de veículo elétrico, são adequados e propiciam os fundamentos necessários para a construção de um protótipo. / This work is a contribution to develop a strategy equalization of tensions in a mo-dular multilevel converter as part of a hybrid system energy storage. The multilevel modular converter realizes the series connection of supercapacitor modules, which al-lows to increase the voltage without cause damages to the quick energy transfer. In relation to other topologies, it allows reduction of the quantity, volume and mass of the magnetic element of the converter structure. A lithium-ion battery bank also integrates the system via a voltage boost converter. This battery is the source of high energy density, which provides the average power required by the load. The association with a fast transfer power source allows for increased dynamic performance, energy efficiency and service life. In fact, there is a hybrid energy storage system that requires mana-gement strategies for multiple sources of supply. The simulated results were obtained considering the power demand estimation of an electric vehicle prototype.

[pt] Problemas de emissão de gases de efeito estufa vem sido amplamente discutidos nos últimos anos, uma vez que mais de 70 países já se comprometeram a uma economia neutra em carbono até 2050. A eletrificação dos modais de transporte tem sido ampliadas seguindo essas metas, onde os Veículos Elétricos (VEs) começam a ganhar participação sobre o mercado de Veículos com Motor de Combustão Interna (VMCI) por todo o mundo. Além da particular complexidade na comparação entre VEs e VMCIs, desafios envolvendo a natureza dos VEs e sua integração com as cidades, como a falta de locais públicos para recarga, também são críticos e interferem no seu desenvolvimento. Nesse contexto, este trabalho visa estudar o problema de uma Estação de Troca de Baterias (ETB), uma estrutura onde os usuários de VEs trocam suas baterias descarregadas por outras totalmente ou parcialmente carregadas. No intuito de simular as operações diárias do ETB e o cronograma de carregamento das baterias, um novo modelo de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) é proposto, levando em consideração a heterogeneidade da bateria, o uso de geração fotovoltaica (PV) local e a degradação da bateria com base no perfil de carregamento. Uma coleção de métricas de operação do ETB é projetada para avaliar a qualidade da solução do modelo de cronograma proposto. É apresentado um experimento numérico que compreende quatro estudos de caso baseados em dados reais dos sistemas de energia e transporte dos EUA, contendo insights e análises sobre o uso da energia fotovoltaica e da rede, bem como uma comparação financeira do ETB com abordagens de cronograma de benchmarks relacionados, juntamente de sensibilidades no plano de dimensionamento do ETB e atendimento a clientes. / [en] Greenhouse gas emissions-related issues have been extensively discussed in the past years, with over 70 countries already committed to a carbon-neutral economy by 2050. The electrification of transportation modals has increased following these goals, where Electric Vehicles (EVs) are starting to take Internal Combustion Engine Vehicles (ICEV) market share all over the globe. Besides the particular complexity in comparing EVs and ICEVs, challenges involving the nature of EVs and their integration with cities, such as the lack of public locals for charging, are also critical and interfere with their development. In this context, this work aims at studying the problem of a Battery Swapping Station (BSS), a structure where the EVs users swap their depleted batteries for fully or partially charged ones. In order to simulate the BSS daily operations and batteries charging schedule, a novel Mixed Integer Linear Programming (MILP) model is proposed, taking into account battery heterogeneity, the use of local photovoltaic (PV) production and battery degradation based on charging profile. A collection of BSS operation metrics are designed to evaluate the solution quality of the proposed scheduling model. A numerical experiment comprising four case studies based on real data from the US power and transportation systems is presented, with insights and analyses on the PV and grid power use, as well as a BSS financial comparison against close-related benchmark scheduling approaches, together with sensitivities on BSS sizing plan and costumers attendance.

[pt] A perspectiva de queda nos preços dos sistemas fotovoltaicos e sistemas de armazenamento de energia elétrica em baterias trouxe a possibilidade de maior viabilidade econômica de projetos envolvendo recursos energéticos distribuídos. No Brasil, a Resolução Normativa 482/2012 regulamentou a micro e mini geração distribuída, estimulando, portanto, a integração desses recursos nas redes de distribuição. Com a promulgação da Lei brasileira 14.300/2022, os projetos de micro e mini geração distribuída foram impactados, uma vez que o sistema de compensação de energia elétrica passou a ser parcial, o que demanda agregar valor aos modelos de negócios baseados em geração distribuída. Este trabalho propõe um modelo de Programação Linear Inteira Mista estocástico com o objetivo de avaliar a viabilidade econômica de usinas virtuais compostas por diferentes configurações de recursos energéticos distribuídos, envolvendo baterias e painéis fotovoltaicos. Para atingir esse propósito, o modelo busca dimensionar o contrato de energia anual ótimo, fornecendo também a operação diária das baterias. Além de levar em consideração os aspectos da Lei 14.300/2022, o modelo incorpora a prática de arbitragem tarifária. Colaborando, assim, com estudos que analisam os impactos regulatórios sobre empreendimentos envolvendo baterias e painéis fotovoltaicos no contexto brasileiro. Com o intuito de abordar o tema de maneira ampla, o modelo proposto foi implementado para recursos energéticos distribuídos organizados como usina virtual, contendo: (i) um sistema fotovoltaico; (ii) um sistema de armazenamento de energia em baterias; (iii) um sistema híbrido (composto por um sistema fotovoltaico e um sistema de armazenamento de energia em baterias); e (iv) o estudo de caso da distribuidora de energia elétrica brasileira Energisa Tocantins. Em todas as aplicações, analisou-se a viabilidade econômica da usina virtual para as tarifas da Energisa Tocantins e outras 34 distribuidoras brasileiras, representando pelo menos uma distribuidora por estado brasileiro. Além disso, foram feitas comparações em relação à data de início de operação da usina virtual, evidenciando o impacto da Lei 14.300/2022 na viabilidade econômica das usinas virtuais analisadas, mostrando, assim, o impacto da referida lei nos projetos de geração distribuída no Brasil. No estudo de caso da distribuidora de energia elétrica brasileira Energisa Tocantins, foi realizada uma análise adicional contemplando aspectos da rede de distribuição da própria Energisa Tocantins, onde os recursos energéticos distribuídos estão alocados. Nessa análise adicional, foram avaliadas as perdas elétricas e seus custos, bem como o perfil de tensão para dois casos de operação das baterias e para o caso base, que seria o caso sem recursos energéticos distribuídos na rede de distribuição Energisa Tocantins. Os resultados evidenciaram que a implementação da Lei 14.300/2022 reduziu a atratividade de projetos envolvendo geração distribuída. No entanto, em sua maioria, considerando os parâmetros adotados deste estudo, esses projetos ainda se mostram viáveis economicamente. Levando em consideração as perdas elétricas e o perfil de tensão, a integração de recursos energéticos distribuídos na rede de distribuição pode trazer benefícios elétricos e redução de custos, dependendo da operação dos recursos energéticos distribuídos, demonstrando sua capacidade de fornecer serviços ancilares ao sistema elétrico. Além disso, os sistemas fotovoltaicos ainda apresentam maior competitividade se comparados com os sistemas híbridos ou os sistemas de armazenamento de energia em baterias, proporcionando retornos financeiros mais atrativos. Por fim, as diferentes amplitudes tarifárias influenciam diretamente na viabilidade de projetos de geração distribuída envolvendo sistemas de armazenamento de energia, já que quanto maior a amplitude tarifária, maior será a arbitragem tarifária que tais sistemas podem proporcionar. / [en] The prospect of declining prices in photovoltaic systems and battery energy storage systems has brought about the possibility of greater economic viability for projects involving distributed energy resources. In Brazil, Regulatory Resolution 482/2012 regulated micro and mini distributed generation, thereby encouraging the integration of these resources into distribution networks. With the enactment of Brazilian Law 14.300/2022, projects involving micro and mini distributed generation were impacted, as the net metering system for electricity became partial, demanding the addition of value to distributed generation-based business models. This work proposes a stochastic Mixed Integer Linear Programming model aimed at evaluating the economic feasibility of virtual power plants composed of different configurations of distributed energy resources, involving batteries and photovoltaic panels. To achieve this purpose, the model seeks to size the optimal annual energy contract, also providing the daily operation of the batteries. In addition to considering the aspects of Law 14.300/2022, the model incorporates tariff arbitrage practice, thus contributing to studies analyzing regulatory impacts on ventures involving batteries and photovoltaic panels in the Brazilian context. In order to comprehensively address the topic, the proposed model was implemented for distributed energy resources organized as virtual power plant, containing: (i) a photovoltaic system; (ii) a battery energy storage system; (iii) a hybrid system (composed of a photovoltaic system and a battery energy storage system); and (iv) the case study of the Brazilian electric utility Energisa Tocantins. In all applications, the economic viability of the virtual power plant was analyzed for the tariffs of Energisa Tocantins and 34 other Brazilian distributors, representing at least one distributor per Brazilian state. Additionally, comparisons were made regarding the start date of operation of the virtual power plant, highlighting the impact of Law 14.300/2022 on the economic viability of the analyzed virtual power plants, thus demonstrating the impact of said law on distributed generation projects in Brazil. In the case study of the Brazilian electric utility Energisa Tocantins, an additional analysis was conducted considering aspects of Energisa Tocantins distribution network, where distributed energy resources are allocated. In this additional analysis, electrical losses and their costs, as well as voltage profiles for two battery operation scenarios and the base case (i.e., the case without distributed energy resources in the Energisa Tocantins distribution network) were evaluated. The results showed that the implementation of Law 14.300/2022 reduced the attractiveness of projects involving distributed generation. However, for the most part, considering the parameters adopted in this study, these projects still demonstrate economic viability. Taking into account electrical losses and voltage profiles, the integration of distributed energy resources into the distribution network can bring electrical benefits and cost reductions, depending on the operation of the distributed energy resources, demonstrating their ability to provide ancillary services to the electrical system. Furthermore, photovoltaic systems still exhibit greater competitiveness when compared to hybrid systems or battery energy storage systems, providing more attractive financial returns. Finally, different tariff amplitudes directly influence the viability of distributed generation projects involving energy storage systems, as the greater the tariff amplitude, the greater the tariff arbitrage that such systems can provide.

Contém produto: Produto Educacional 1: manual do professor. Produto Educacional 2: manual do aluno. / O crescente avanço científico, tecnológico e a ampla acessibilidade à informação atribuem à escola a função de tornar conhecimentos sobre Tecnologia de Informação (TI) significativos a indivíduos inseridos em uma sociedade em constante transformação. Para tanto, a escola precisa de metodologias educacionais que propiciem aos jovens uma maior autonomia para que sejam qualificados a participar de forma ativa na comunidade, promovendo mudanças que produzam progressos para o desenvolvimento da cidadania. Um dos pilares desta construção é o Ensino de Ciências, onde se destacam os saberes referentes à disciplina de Química que são importantes para o desenvolvimento econômico, social e tecnológico da população. Entretanto, o Ensino de Química no espaço escolar está distante da vida prática do adolescente e da sociedade, restringindo-se à memorização de fórmulas, nomenclaturas e teorias. Para esta investigação científica, estabeleceu-se como objetivo analisar se os conhecimentos sobre gerenciamento de resíduos e logística reversa articulados à conteúdos de Eletroquímica, no Ensino de Química, podem sensibilizar alunos do 2º ano do Ensino Médio quanto aos impactos ambientais causados por descarte inadequado de pilhas e baterias, por meio de uma proposta de desenvolvimento e aplicação de uma Sequência Didática (SD). O delineamento metodológico para este estudo envolveu a pesquisa participativa e uma abordagem quanti-qualitativa. A pesquisa foi aplicada no Colégio Estadual Zumbi dos Palmares no município de Colombo, Região Metropolitana de Curitiba, e destinada a quatro turmas de 2º ano do Ensino Médio, totalizando 96 discentes. Os resultados foram obtidos utilizando como instrumento de coleta de dados questionários anterior e posterior à aplicação da Sequência Didática (SD), com perguntas abertas e de múltipla escolha. Foi possível ponderar que os estudantes já tinham um certo conhecimento sobre os impactos ambientais decorrentes do descarte inadequado de pilhas e baterias, sabiam sobre postos de coleta, conseguiram avaliar e declarar que tipo de pilha utilizam em seu cotidiano. Após a aplicação da SD, foi possível evidenciar que houve compreensão quanto ao conteúdo de Eletroquímica, além da sensibilização ambiental dos participantes. Disponibilizou-se o produto educacional com versões para professor e educandos a fim de tornar mais hábil o processo de ensino dos educandos, pretendendo, desta maneira, contribuir com a reflexão e o trabalho dos docentes e discentes no Ensino de Química. / The scientific and technological progress, as well as the wide accessibility to information, all assign to school the function of making knowledge about Information Technology (IT) meaningful to individuals who are inserted in a society which one is in constant transformation. Therefore, the school needs educational methodologies to provide Youth a great autonomy, in order to help them to be better qualified and participate in an actively way in their community promoting importante changes towards progress and development of citizenship. One of the main pillars of this construction is the elementary and middle school Science Education which emphasizes the knowledge related to the discipline of Chemistry so important for the economic, social and technological development of the population. However, the Chemistry for teaching in school environment is far from the real life of the adolescents and society. It remains limited to the memorization skills of formulas, nomenclatures and theories. Thus, the objective of this scientific investigation was to analyze if knowledge about waste management and reverse logistics, articulated to the contents of Eletrochemistry in the Teaching of Chemistry, can sensitize second year-students of High School about the environmental impacts caused by inappropriated disposal of used batteries. In this regard, it was created, developed, and applicated a Didactic Sequence (DS) as a tool to raise students awareness about those environmental impacts. The methodological development for this study was to envolve a participatory research and a quantitative-qualitative approach. The research was applied at the Zumbi dos Palmares State College in the city of Colombo, Metropolitan Region of Curitiba, and was destined to four high school classes, totaling 96 students. The results were obtained by using data collection instrument - the questionnaires – they were used before and after the application of the Didactic Sequence (DS), with open and multiple choice questions. It was possible to consider that the students already had a certain knowledge about the environmental impacts, resulting from the inadequate disposal of batteries. They knew about collection points, they were able to evaluate and declare what type of battery they use in their daily lives. After the application of DS, it was possible to show that there was understanding of the content of Electrochemistry. In addition, there was the environmental sensitization of the participants at the end of this research. The educational product was to provide with teachers and students versions in order to make the teaching and learning process more proficient so that it contributes to the reflection and works for teachers and students in the Teaching of Chemistry.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-07-21T14:26:57Z No. of bitstreams: 1 marciodocarmobarbosaponciliorodrigues.pdf: 24085481 bytes, checksum: a2ce2552f002816f01354d228d257f85 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-08-09T13:18:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 marciodocarmobarbosaponciliorodrigues.pdf: 24085481 bytes, checksum: a2ce2552f002816f01354d228d257f85 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-09T13:18:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 marciodocarmobarbosaponciliorodrigues.pdf: 24085481 bytes, checksum: a2ce2552f002816f01354d228d257f85 (MD5) Previous issue date: 2014-11-20 / A gradativa substituição da atual frota de veículos de motor de combustão interna por veículos elétricos (VEs) pode ser vista como um importante fator para a melhoria das condições ambientais nos centros urbanos, uma vez que possibilita a redução das emissões de poluentes atmosféricos nocivos à saúde humana. Os conversores estáticos existentes no sistema de propulsão de veículos puramente elétricos e híbridos "plug-in" podem ser utilizados para funções adicionais, diferentes da tração elétrica. Com poucas adaptações nos circuitos eletrônicos do VE é possível integrar funções como recarga de baterias, geração distribuída de energia elétrica e compensação de reativos. Este tipo de aplicação é particularmente interessante no contexto de redes inteligentes de energia elétrica (smart grids). Esta integração de funcionalidades ao VE, além de permitir a redução de custos e economia de recursos naturais, poderá resultar em retorno financeiro aos proprietários destes veículos pela prestação de serviços auxiliares ao sistema elétrico. Neste trabalho é proposta a utilização de veículos elétricos na compensação de harmônicos de corrente e de potência reativa em instalações elétricas residenciais e comerciais, utilizando o próprio sistema de propulsão do VE para operar como filtro ativo de potência, o que pode ser realizado de forma simultânea à recarga do banco de baterias do VE ou durante seu uso como unidade de geração distribuída de ener-gia elétrica (operação no modo V2G, vehicle-to-grid). Sendo o padrão de conexão de VEs à rede de energia elétrica atualmente adotado pela maior parte dos fabricantes de automóveis elétricos baseado em alimentação monofásica (com possibilidade de alimen-tação bifásica), é explorada, neste trabalho, a utilização de um VE na compensação de cargas monofásicas e bifásicas, em condições típicas de instalações elétricas residenciais e comerciais, de forma compatível a tal padrão. A inclusão desta funcionalidade aos VEs pode contribuir para a redução do impacto da eletrificação veicular no sistema elétrico, pois com a diminuição do fluxo de potência reativa e harmônica na rede elé-trica, torna-se maior a sua capacidade disponível para transporte de potência ativa, facilitando o suprimento de energia a novas cargas (que podem ser os próprios VEs). / The gradual replacement of the current internal combustion engine vehicles by elec-tric vehicles (EVs) comes up as being an important factor to the improvement of urban centers environmental conditions, since it enables reduction on the emissions of atmo-spheric pollutants harmful to human health. Additional tasks, apart from traction, can be performed by battery and plug-in hybrid electric vehicle powertrain on-board power electronic converters. It is possible to integrate functions such as battery charge, electric distributed power generation and reactive power compensation with few modifications on the EV electronics circuitry. This kind of application is especially interesting under the context of smart grids. The integration of these additional functions to an electric vehicle is a very desirable feature, since it can result on cost reduction (in comparison to the separated implementation of the integrated functions) and revenue to the owner of the vehicle by providing ancillary services to the electric power system. This work proposes the application of electric vehicles on the compensation of cur-rent harmonic components and reactive power in residential and commercial electricity networks by means of the integration of a shunt active power filter (APF) into their powertrain electronics circuitry, which can simultaneously operate with the EV bat-tery pack charging or during its use as an electric distributed power generator unit (vehicle-to-grid, V2G, operation mode). Since the EV grid connection standard cur-rently adopted by electric automobiles manufacturers is based on a single-phase power supply system (with a possible two-phase power supply connection), this work focuses on the application of an electric vehicle in the compensation of single-phase and two-phase loads under residential and commercial electricity networks typical conditions, in order to meet the compliance to the requirements of such standard. The inclusion of this functionality to EVs can contribute on the reduction of vehicular electrification impact on the electric power system, since the decrease of reactive and harmonic power flow into the grid results in higher available capacity of active power flow in the power conductors, which allows to supply electricity to new electric loads (that can be the EVs themselves).

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a design methodology and analysis of electronic circuits applied to outdoor lighting systems using light emitting diodes (LEDs). The goal of topologies developed here is to supply the LEDs from the mains, with high power factor, and from batteries when it is needed. Thus, some topologies employing integrated DC-DC converters and single stage converters are proposed and analyzed. The main application of these topologies is street lighting systems without energy consumption from the mains during the Peak Load Time, feeding the circuit by batteries. Moreover, the batteries can keep the system working during a possible fault in the main power supply, operating as an emergency lighting system. These applications are justified by the reduction in energy demand from the electric power system and by the increase in the lighting system reliability. Throughout the work, the main characteristics of the LED and batteries applied in lighting systems are presented, as well as the specification of the luminaire and the battery bank employed. The design methodology proposed for each topology aims to help the converter design intended for better utilization of semiconductors and reduce the value of the bus capacitor. A critical analysis of the converters is performed in order to evaluate the efficiency of the circuits, the power factor, the voltage and current characteristics of the main devices, and compliance with the IEC 61000-3-2 Class C standard that limits the harmonic content of the input current. Finally, electronic circuits are proposed for the management and control of the lighting system. / Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto e análise de circuitos eletrônicos aplicados à iluminação de exteriores empregando diodos emissores de luz (LEDs). O objetivo das topologias desenvolvidas neste trabalho é proporcionar aos LEDs uma alimentação adequada através da rede elétrica, com alto fator de potência, e através de baterias quando necessário. Para isso, são propostas e analisadas algumas topologias empregando conversores CC-CC integrados e de estágio único. Estas topologias têm como principal aplicação sistemas de iluminação pública sem consumo de energia a partir da rede elétrica durante o Horário de Ponta, alimentando o circuito por baterias. Além disso, as baterias podem manter o funcionamento do sistema durante uma possível falha no fornecimento de energia pela rede elétrica, operando como um sistema de iluminação de emergência. Estas aplicações são justificadas pela redução da demanda de energia do sistema elétrico de potência durante horários críticos e aumento da confiabilidade do sistema de iluminação pública. Ao longo do trabalho, as principais características do LED e de baterias aplicadas em sistemas de iluminação são abordadas, juntamente com a especificação da luminária e do banco de baterias empregados. A metodologia de projeto proposta para cada topologia desenvolvida tem por objetivo auxiliar o projeto do conversor visando melhor aproveitamento dos semicondutores e redução do valor do capacitor de barramento. A análise crítica dos conversores é realizada com o objetivo de avaliar a eficiência dos circuitos, o fator de potência, características de tensão e de corrente nos principais componentes e o atendimento à norma IEC 61000-3-2 Classe C que limita o conteúdo harmônico da corrente de entrada. Por fim, são propostos circuitos eletrônicos para o gerenciamento e controle do sistema de iluminação.

Air pollution is becoming a major issue in cities across the world, its common cause being the use of fossil fuel combustion engines in both private and collective transport modes. However, alternative technologies, such as biofuels, hybrid and battery electric vehicles, are on the rise. The objective of this thesis is to assess the optimal system’s configuration – a combination of electric traction and the use of biofuels – in a sub-group of Curitiba’s public bus network through the application of two optimisation models – least energy consumption and least cost. Based on these models, total energy, cost and greenhouse gas (GHG) emissions can be calculated for different scenarios to identify the advantages of switching to a low-carbon system. Furthermore, these models can be used by planners and decision makers as a starting point in defining the path towards a cleaner transport system. The results from the energy optimisation indicate that electrification is key in reducing total energy consumption, as this technology is by far the most energy efficient. A 12% reduction could be achieved, when compared to the current scenario (only using diesel B7), and CO2 emissions could be cut by 74%. The cost optimisation shows that electrification is not yet cost competitive compared to other biofuels (biodiesel, bioethanol and biogas), as biodiesel is the only technology selected by the model due to its overall lower cost. Nonetheless, if electricity costs are reduced, which can be achieved, for example, through a reduction or abolition of taxes, electrification becomes an attractive alternative to biofuels. Under these conditions (40% lower electricity price), energy consumption is reduced by 5% and GHG emissions are cut down to 30%. Political will and strategies to decrease the cost of vehicles turn out to be essential in supporting electrification in public transport. Furthermore, adaptations in the time schedules and the organisation of the main transport hubs are required to accommodate battery electric buses.  The number of fast charging stations is usually on a par with the number of bus routes to be electrified. Cost synergies achieved by sharing the cost of a charger among electrified routes with a common start/end stop are crucial to secure the attractiveness of e-mobility. This underlines the importance of analysing infrastructure needs in public transport networks holistically. / A poluição atmosférica é um problema sério em praticamente todas as grandes cidades do mundo, sendo a sua origem mais comum, o uso de combustíveis fósseis em motores de combustão, tanto em veículos de uso privado como em veículos de transporte coletivo. No entanto, tecnologias alternativas, tais como o uso de biocombustíveis, e a utilização de veículos híbridos e elétricos, estão em expansão. Esta tese tem como objectivo avaliar a configuração ideal do sistema, utilizando, num subgrupo da rede de transportes de Curitiba, uma combinação de tração elétrica e de uso de biocombustíveis. Esta avalição é feita através da aplicação de dois modelos de optimização: menor consumo energético e menor custo global. Com base nestes dois modelos, o consumo energético e os custos globais, bem como as emissões de gases de efeito de estufa (GEE), podem ser calculados para os diferentes cenários, de modo a se identificarem as vantagens da transição para um sistema de baixo carbono. Acresce que estes dois modelos podem ser usados por planeadores e decisores, como ponto de partida na definição do caminho a seguir para a transição para um sistema de transporte mais ecológico. Os resultados da otimização do consumo energético, indicam que a eletrificação é fundamental para reduzir o consumo total de energia, pois esta tecnologia é, de longe, a mais eficiente em termos energéticos. Uma redução do consumo total de energia em 12% poderá ser alcançada em relação ao cenário actual (que use apenas o diesel B7) e as emissões de CO2 poderão ser reduzidas em 74%. Na otimização de custos, os resultados mostram que a eletrificação ainda não é competitiva em termos de custos, quando comparada com o uso de biocombustíveis (biodiesel, bioetanol e biogas), uma vez que o biodiesel é a única tecnologia selecionada pelo modelo por ter menores custos associados. No entanto, se os custos da eletricidade forem reduzidos, nomeadamente, através da diminuição ou supressão de impostos, a eletrificação torna-se uma solução atrativa. Numa situação de redução do preço da energia elétrica em 40 %, o consumo de energia é reduzido em 5% e as emissões de GEE são reduzidas para 30%. Vontade política e estratégias destinadas a diminuir o custo dos veículos elétricos, tornam-se essenciais para promover a eletrificação dos transportes públicos. Acresce que, a adaptação dos horários e a organização dos principais terminais de transporte, são necessários para possibilitar a  operacionalidade dos ônibus elétricos. De acordo com os resultados dos dois modelos, o número de estações de recarga rápida é aproximadamente igual ao número de rotas de ônibus a serem eletrificadas. A redução de custos alcançada, partilhando um carregador entre rotas electrificadas com paragens inicial/final comuns, é crucial para garantir a atratividade da mobilidade eléctrica. Isto sublinha a importância dos benefícios de uma análise holística da infrastrutura de recarga nas redes de transporte público coletivo. / Luftföroreningar är en stor utmaning i städer runt om i  världen. Den gemensamma orsaken är användningen av förbränningsmotorer med fossila bränslen i både privata och kollektiva transportsätt. Dock alternativt teknik, såsom biobränslen, hybrid- och batterielektriska fordon, har uppmärksammats och deras användning ökar. Syftet med denna avhandling är att bedöma det optimala systemets konfiguration - en kombination av elektrisk drivkraft  och användningen av biobränslen - i Curitibas allmänna bussnät genom tillämpning av två optimeringsmodeller – en som minimiserar  energiförbrukning och en som minimizerar kostnader. Baserat på dessa modeller, de totala utsläpp och energiförbrukningen, samt deras respektiva kostnader kan beräknas för olika scenarier. På detta sätt  fördelarna med att byta till ett kolfrisystem identifieras. Dessutom kan dessa modeller användas av planerare och beslutsfattare som utgångspunkt för att definiera strategier mot en renare transportsystem. Resultaten från energioptimering indikerar att elektrifiering är nyckeln till att minska  systemets energiförbrukning, eftersom denna teknik är överlägset mest energieffektiv. En minskning på 12% skulle kunna uppnås, jämfört med det utgångsscenariot (endast med diesel B7) och koldioxidutsläppen skulle kunna minska med 74%. Kostnadsoptimeringen visar att elektrifiering ännu inte är kostnadseffektiv jämfört med andra biobränslen (biodiesel, bioetanol och biogas). I detta scenario är biodiesel den enda tekniken som valts av modellen på grund av dess lägre kostnad. Men om elkostnaderna minskas blir elektrifiering ett attraktivt alternativ till biobränslen. Detta skulle kunna uppnås, till exempel, genom skattebefrielse.  Under dessa förutsättningar (40% lägre elpris) minskas energiförbrukningen med 5% och utsläppen minskar med30%. Politisk vilja och strategier för att minska fordonskostnaden visar sig vara avgörande för att stödja elektrifiering av kollektivtrafiken i Curitiba. Dessutom anpassningar av tidstabellerna och organisationen av de viktigaste bytespunkter är nödvändiga. Antalet snabba laddstationer är vanligtvis i linje med antalet busslinjer som ska elektrifieras. Kostnadssynergier uppnås genom att dela kostnaden för en laddare bland elektrifierade linjer med ett gemensamt start / slutstopp. Det är avgörande för att säkerställa e-mobilitetens attraktivitet. Det visar också vikten av att analysera infrastrukturbehoven i kollektivtrafiknätet holistiskt.

[pt] O planejamento da expansão da transmissão (PET) visa identificar novos reforços para a rede, permitindo uma conexão tecnicamente adequada entre demanda e geração de energia elétrica, ambas previstas para um determinado horizonte de planejamento. Um bom plano de expansão deve garantir o equilíbrio entre os custos de investimento e operação, mantendo um nível satisfatório de segurança no fornecimento de energia elétrica. Entretanto, a identificação de bons planos de expansão para o PET tem se tornado uma tarefa cada vez mais difícil. Isso se deve, principalmente, às características e dimensões dos sistemas atuais, a não linearidade e natureza combinatória do problema de otimização e às incertezas presentes nos dados. Os erros de previsão, a indisponibilidade de equipamentos e a disponibilidade dos recursos naturais são parâmetros que variam de forma aleatória e inserem um alto grau de incerteza nos sistemas elétricos, o qual aumenta proporcionalmente com o horizonte de planejamento. Uma das incertezas mais relevantes a ser gerenciada nas próximas décadas será a capacidade de geração oriunda de fontes renováveis, em particular as eólicas, devido à sua grande variabilidade. A utilização de dispositivos de armazenamento permitirá melhor aproveitamento dessas fontes e, portanto, torna-se necessário o desenvolvimento de ferramentas computacionais capazes de considerar tais dispositivos no problema PET. Esta dissertação apresenta uma nova metodologia de apoio ao problema PET inserindo armazenadores de energia elétrica para aumentar o aproveitamento de fontes renováveis no sistema. Isso, respeitando as restrições de segurança da rede, acompanhando à curva de demanda e levando em consideração as variáveis operativas destes dispositivos. A possibilidade de incluir sistemas de armazenamento de energia elétrica é avaliada através de uma análise custo-benefício. A metodologia proposta é aplicada a um sistema teste, submetido a diversas condições operativas, e os resultados obtidos são amplamente discutidos. / [en] The transmission expansion planning (TEP) aims at identifying new reinforcements for the network, allowing a technically adequate connection between demand and generation of electric energy, both foreseen for a given planning horizon. A good expansion plan must ensure a balance between investment and operating costs, while maintaining a satisfactory level of security of the electric energy supply. However, identifying good expansion plans for TEP has become an increasingly difficult task. This is mainly due to the characteristics and dimensions of the current systems, the nonlinearity and combinatorial nature of the optimization problem, and the uncertainties present in the data. Forecasting errors, equipment unavailability, and the availability of natural resources are parameters that vary in a random way and insert a high degree of uncertainty in the electrical system, which proportionally increases with the planning horizon. One of the most relevant uncertainties to be managed in the upcoming decades will be the generation capacity from renewable sources, particularly wind power, due to its great variability. Storage devices will allow better use of these sources and, therefore, it becomes necessary to develop computational tools capable of considering such devices in the TEP problem. This dissertation presents a new methodology to support the TEP problem by inserting electric energy storage to increase the use of renewable energy in the system, while respecting the security restrictions of the network, following the demand curve and taking into account the operational variables of these devices. The possibility of including electric energy storage systems is evaluated through a costbenefit analysis. The proposed methodology is applied to a test system, subject to various operating conditions, and the obtained results are widely discussed.