[pt] O objetivo principal desta dissertação é o de buscar formas de modelar e controlar, adequadamente, condicionadores de ar de janela, pois tratam-se de máquinas que possuem um elevado consumo de energia, perdendo somente para o chuveiro elétrico. A contribuição do mesmo para a demanda do setor doméstico é da ordem de 7 %. As pesquisas de posse de eletrodomésticos mostram que somente 6 % dos domicílios têm instalada tal tipo de máquina, o que representa um expressivo potencial de crescimento para os próximos anos na aquisição deste produto. É oportuno observar que em edifí­cios comerciais, 48 % da energia é consumida com refrigeração, o que implica na necessidade de novos projetos em que centrais de grande porte sejam implantadas, visando um gasto comparativamente menor ao somatório de aparelhos individuais. / [en] This work involves the modeling of window air conditioners, with the purpose to obtain the electrical potential consume by itself, related to the medium external temperature. To obtain such goal, it was necessary the study of all features which involve their several components, aiming the conduct fitted from the parts, due to the result expected. It was made a public research with the users from these equipments. From this result, it was developed a stochastic model to be used in energy demand from a specific region, considering that the equipment / machine in use shows similar qualifications. After that, it was added to the system of machine a direct load control, which delay the compressor, obtaining an efficient working from it (saving demand), without affecting deeply normal using conditions. Finally, comparing two examples mentioned above, it was concluded that in the less powerful equipment (air conditioner) the thermal control with changed features, had good results, while more powerful equipments are more economic with direct load control. / [es] Esta disertación tiene como objetivo principal buscar formas de modelar y controlar adecuadamente, equipos de aire acondicionado de tipo ventana, por tratarse de equipos que poseen un alto consumo de energía, superado tan solo por la ducha eléctrica. La contribución de éste para la demanda del sector doméstico es del orden de 7 %. Las investigaciones sobre la pose de electrodomésticos muestran que sólo el 6 % de los domicilios tiene instalada tal tipo de máquina, lo que representa um expresivo potencial de crescimiento en la adquisición de este producto para los próximos años. Es oportuno observar que en edificios comerciales, 48 % de la energia consumida se refiere a refrigeración, lo que nos lleva a la necesidad de nuevos proyectos donde, centrales de grande porte seam implantadas, para conseguir un gasto comparativamente menor a la suma de equipos individuales.

[pt] A otimização de binível é uma ferramenta extremamente poderosa para modelar problemas realistas em várias áreas. Por outro lado, sabe-se que a otimização de dois níveis frequentemente leva a problemas complexos ou intratáveis. Nesta tese, apresentamos três trabalhos que expandem o estado da arte da otimização de dois níveis e sua interseção com sistemas de potência. Primeiro, apresentamos BilevelJuMP, um novo pacote de código aberto para otimização de dois níveis na linguagem Julia. O pacote é uma extensão da linguagem de modelagem de programação matemática JuMP, é muito geral, completo e apresenta funcionalidades únicas, como a modelagem de programas cônicos no nível inferior. O software permite aos usuários modelar diversos problemas de dois níveis e resolvê-los com técnicas avançadas. Como consequência, torna a otimização de dois níveis amplamente acessível a um público muito mais amplo. Nos dois trabalhos seguintes, desenvolvemos métodos especializados para lidar com modelos complexos e programas de dois níveis de grande escala decorrentes de aplicações de sistemas de potência. Em segundo lugar, usamos a programação de dois níveis como base para desenvolver o Aprendizado Dirigido pela Aplicação, uma nova estrutura de ciclo fechado na qual os processos de previsão e tomada de decisão são mesclados e co-otimizados. Descrevemos o modelo matematicamente como um programa de dois níveis, provamos resultados de convergência e descrevemos métodos de solução heurísticos e exatos para lidar com sistemas de grande escala. O método é aplicado para previsão de demanda e alocação de reservas na operação de sistemas de potência. Estudos de caso mostram resultados muito promissores com soluções de boa qualidade em sistemas realistas com milhares de barras. Em terceiro lugar, propomos um simulador para modelar mercados de energia hidrotérmica de longo prazo baseados em ofertas. Um problema de otimização estocástica multi-estágio é formulado para acomodar a dinâmica inerente aos sistemas hidrelétricos. No entanto, os subproblemas de cada etapa são programas de dois níveis para modelar agentes estratégicos. O simulador é escalável em termos de dados do sistema, agentes, cenários e estágios considerados. Concluímos o terceiro trabalho com simulações em grande porte com dados realistas do sistema elétrico brasileiro com 3 agentes formadores de preço, 1000 cenários e 60 estágios mensais. Esses três trabalhos mostram que, embora a otimização de dois níveis seja uma classe extremamente desafiadora de problemas NP-difíceis, é possível desenvolver algoritmos eficazes que levam a soluções de boa qualidade. / [en] Bilevel Optimization is an extremely powerful tool for modeling realistic problems in multiple areas. On the other hand, Bilevel Optimization is known to frequently lead to complex or intractable problems. In this thesis, we present three works expanding the state of the art of bilevel optimization and its intersection with power systems. First, we present BilevelJuMP, a novel open-source package for bilevel optimization in the Julia language. The package is an extension of the JuMP mathematical programming modeling language, is very general, feature-complete, and presents unique functionality, such as the modeling of lower-level cone programs. The software enables users to model a variety of bilevel problems and solve them with advanced techniques. As a consequence, it makes bilevel optimization widely accessible to a much broader public. In the following two works, we develop specialized methods to handle much model complex and very large-scale bilevel programs arising from power systems applications. Second, we use bilevel programming as the foundation to develop Application-Driven Learning, a new closed-loop framework in which the processes of forecasting and decision-making are merged and co-optimized. We describe the model mathematically as a bilevel program, prove convergence results and describe exact and tailor-made heuristic solution methods to handle very large-scale systems. The method is applied to demand forecast and reserve allocation in power systems operation. Case studies show very promising results with good quality solutions on realistic systems with thousands of buses. Third, we propose a simulator to model long-term bid-based hydro-thermal power markets. A multi-stage stochastic program is formulated to accommodate the dynamics inherent to hydropower systems. However, the subproblems of each stage are bilevel programs in order to model strategic agents. The simulator is scalable in terms of system data, agents, scenarios, and stages being considered. We conclude the third work with large-scale simulations with realistic data from the Brazilian power system with 3 price maker agents, 1000 scenarios, and 60 monthly stages. These three works show that although bilevel optimization is an extremely challenging class of NP-hard problems, it is possible to develop effective algorithms that lead to good-quality solutions.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:06Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-08-12Bitstream added on 2014-06-13T20:11:55Z : No. of bitstreams: 1 andreoli_al_me_bauru.pdf: 2837768 bytes, checksum: 899d0f484921dccf16d7027e336d500b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O presente trabalho é o resultado de uma pesquisa aplicada ao desenvolvimento de um equipamento eletrônico microprocessado destinado ao controle de demanda máxima e de fator de potência em instalações elétricas. Motivado pelo aumento na demanda e pela limitação nos recursos do sistema elétrico interligado, o uso de equipamentos que permitam o gerenciamento de energia pelo lado da demanda tem se difundido com grande velocidade, pois é o método de racionalização do uso de energia elétrica que apresenta boa relação entre custo e benefícios, trazendo resultados favoráveis em curto prazo. O uso de controladores de demanda máxima e de fator de potência nas instalações atendidas por contratos de fornecimento horo-sazonal é uma forma de garantir que o sistema não ultrapasse os limites contratuais, que resultam em aplicação de multa, e também um modo de se operar o sistema dentro de parâmetros conhecidos evitando perdas excessivas, racionalizando a utilização de seus componentes. Embora não exista regulamentação relacionada a tarifas diferenciadas de energia elétrica para unidades atendidas em baixa tensão, a utilização de controladores de demanda máxima e fator de potência pode trazer à esta classe de consumidores os benefícios do gerenciamento de energia, reduzindo perdas e em muitos casos permitindo a diminuição no valor da fatura de energia. Pelo ponto de vista do fornecimento, a existência de controle de demanda nas unidades consumidoras permite um melhor planejamento e maior aproveitamento do sistema de distribuição, minimizando investimentos no setor. Para aplicação em unidades consumidoras de porte reduzido, os equipamentos de gerenciamento de energia disponíveis no mercado apresentam dois inconvenientes principais: o excesso de recursos que na maioria dos casos não é explorado em sua... / The present work is the result of an applied research to the development of an electronic microcontrolled device used in the control of maximum demand and power factor in small and medium range electric facilities. Stimulated by the increase of demand and limitation of electrical resources of the interconnected system, the use of demand-side energy management devices was increased, since this method is the better mode to provide the energy rationalization, good cost-benefits relationship and presents best results in a short time interval after its implementation. The use of maximum demand and power factor controllers in facilities with differential billing fares is a method of guarantee that the agreement limits will not be exceeded, resulting in penalties, and also a safe mode of system operation, reducing losses and rationalizing the use their components. Although don't exist regulation related to the differential billing applied to low-voltage supplied consumers, the use of maximum demand and power factor controllers can bring to this consumers category the benefits of energy management, reducing losses and in most cases decreasing the energy billing. In the supply point of view, the demand control in consumers units allow the better planning and the best utilization of distribution system, minimizing the investment in this sector. For application in small-size consumer units, the commercially available energy management devices have two inconvenient: excess of resources, in the most cases sub-utilized which increase the price, and the need of a special external energy meter or energy transducer, uncommon in this class of facility. The device developed in this research have an electronic energy measurement system and associated signals independent of the supplier's meter, and also... (Complete abstract click electronic access below)

[pt] A natureza intermitente da geração eólica combinada com a conhecida volatilidade dos preços de eletricidade expõe as Empresas de Energia Eólica (WPCs) comprometidas com contratos de longo prazo aos chamados riscos de preço e quantidade. Vários instrumentos foram desenvolvidos nos últimos anos para mitigar essa exposição ao risco. No entanto, a maioria deles foi construído para lidar apenas com uma das partes, ou seja, a incerteza de preço ou geração. Para enfrentar essa questão, neste trabalho, propomos um instrumento derivativo customizado para as WPCs, aproveitando os princípios de opções e índices renováveis. A eficácia e atratividade do instrumento proposto, denominado Opção Eólica (WInd-Op), são avaliadas com dados reais do setor brasileiro por meio de um modelo de equilíbrio geral. Mostramos que as Empresas de Energia Solar (SPCs) podem ser candidatas relevantes para respaldar esses derivativos. Além disso, quando comparado com as opções tradicionais de compra e venda, usadas como referência, os resultados indicam que o equilíbrio obtido com o novo derivativo apresenta um volume total de negociação significativamente maior, preços de prêmio mais baixos e maior bem-estar geral. / [en] The intermittent nature of wind generation combined with the wellknown volatility of electricity spot prices expose Wind Power Companies (WPCs) committed to long-term forward contracts to the so-called price-andquantity risk. Several instruments were designed in the past years to mitigate this risk exposure. However, most of them were mainly constructed to cope with only one of its parts, i.e., price or generation uncertainty. To tackle this issue, in this work, we propose a tailored derivative instrument for WPCs leveraging the principles of options and renewable indexes. The effectiveness and attractiveness of the proposed instrument, referred to as the Wind-Indexed Option (WInd-Op), are evaluated with real data from the Brazilian sector through a general equilibrium setup. We show that Solar Power Companies (SPCs) can be relevant candidates to back these derivatives. Additionally, when compared to the traditional put-and-call options as a benchmark, the results indicate that the equilibrium obtained with the new derivative exhibits a significantly higher total traded volume, lower premium prices, and greater overall welfare.

[pt] À medida que o mundo enfrenta a urgente questão das mudanças climáticas, a energia eólica se destaca como uma fonte crítica de energia limpa. No entanto, realizar seu pleno potencial depende da otimização dos layouts de parques eólicos, especialmente à luz do complexo efeito de esteira. Esta dissertação adentra na Otimização de Layout de Parques Eólicos (WFLO, na sigla em inglês) usando o Modelo de Efeito de Esteira de Bastankhah. O escopo deste estudo vai além do design de layout; abrange a intrincada tarefa de mitigar o impacto do efeito de esteira, juntamente com a busca por uma estratégia de negociação com aversão ao risco e maximização de valor. Para contabilizar a aversão ao risco, uma combinação entre o Valor Esperado e os funcionais de medida de risco baseados no quantil esquerdo, a medida de Valor em Risco Condicional (CVaR). Para apoiar esta pesquisa, um pacote de código aberto OptimalLayout.jl foi desenvolvido. Este pacote co-otimiza o posicionamento das turbinas eólicas para mitigar o impacto do efeito de esteira e a estratégia de contratação de um agente/gerador avesso ao risco. Através de uma série de estudos de casos práticos em diversos ambientes dinâmicos, esta pesquisa ilustra a aplicabilidade do WFLO no mundo real. Estas investigações examinam detalhadamente a sua influência na produção de energia e na dinâmica das receitas, oferecendo informações valiosas sobre soluções energéticas sustentáveis. / [en] As the world confronts the pressing issue of climate change, wind power stands out as a critical source of clean energy. However, realizing its full potential relies on the optimization of wind farm layouts, particularly in light of the complex wake effect. This dissertation delves into Wind Farm Layout Optimization (WFLO) using the Bastankhah Wake Model. The scope of this study goes beyond layout design; it encompasses the intricate task of mitigating the wake effect s impact along with the seek for a risk-averse-value maximizing trading strategy. To account for risk-averseness, a combination between Expected Value and the left-side-quantile-based risk-measure functionals, the Conditional Value-at-Risk (CVaR) measure. To support this research, an opensource package OptimalLayout.jl was developed. This package co-optimizes the positioning of wind turbines to mitigate wake effect impact,and the contracting strategy of a Risk-Averse agent/generator. Through a series of practical case studies across diverse dynamic environments, this research illustrates the real-world applicability of WFLO. These investigations intricately examine its influence on power production and revenue dynamics, offering valuable insights into sustainable energy solutions.