Orientador: José Luz Silveira / Resumo: Nesse trabalho são apresentadas propostas de sistemas híbridos de geração de energia (SHGE) para o fornecimento de energia elétrica. O Caso 1 propõe um SHGE conectado à rede elétrica (on-grid) para atender a demanda elétrica de edifícios urbanos. O Caso 2 propõe um SHGE aplicado a áreas rurais com disponibilidade de rede elétrica local. O Caso 3 considera uma propriedade rural sem rede elétrica local, portanto propõe-se um SHGE com armazenamento de energia (off-grid). Os três casos são analisados em termos técnicos, econômicos e ambientais para três cidades brasileiras: Fortaleza (CE), Guaratinguetá (SP) e Florianópolis (SC). Para o dimensionamento do SHGE, desenvolve-se um algoritmo de otimização cuja função objetivo é a minimização do custo de geração de energia elétrica. Utiliza-se o software LINGO para a determinação da solução ótima do arranjo SHGE para cada caso. A análise econômica leva em consideração os custos de investimento, operação e manutenção para determinação do período de retorno (payback) e da receita anual esperada. A análise ambiental é feita através do cálculo da eficiência ecológica dos sistemas de geração de energia estudados. Os resultados mostram que o Caso 2 – SHGE on-grid: Propriedade Rural possui o menor período de retorno de investimento, entre 1 e 2 anos. Para todos os casos, a cidade de Fortaleza é onde evidencia-se o menor custo de investimento dos SHGE e, consequentemente, menor custo de geração de eletricidade dada seus elevados potenciais en... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως σκοπό την παράθεση και ανάλυση των μεθόδων που έχουν παρουσιαστεί αυτή τη στιγμή στη διεθνή βιβλιογραφία και αφορούν τον έλεγχο και συγχρονισμό σε δίκτυο των Διασπαρμένων Συστημάτων Παραγωγής Ισχύος (Δ.Σ.Π.Ι.). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη Διασπαρμένη Παραγωγή (Δ.Π.) και στα Δ.Σ.Π.Ι. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται τα κύρια χαρακτηριστικά των στρατηγικών ελέγχου που σχετίζονται με τον έλεγχο των Δ.Σ.Π.Ι. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση και ανάλυση των μεθόδων που χρησιμοποιούνται για το συγχρονισμό των Δ.Σ.Π.Ι. με το δίκτυο. Στο τέταρτο κεφάλαιο, όμοια με προηγούμενα, έγινε προσπάθεια για παρουσίαση των στρατηγικών ελέγχου των Δ.Σ.Π.Ι. σε περίπτωση που έχουμε εσφαλμένο δίκτυο. / The aim of this master thesis , is the presentation and analysis of the control strategies which are implemented on the distributed power generation systems(grid connection. Moreover, grid synchronization methods of DPGS are presented and evaluated. Control strategies when running on grid faults are also presented.

Radio Frequency IDentification (RFID) provides a way to automate identification and to store information in individual RFID tags. These tags can be attached or embedded in an item to be identified and are read when they enter a RFID reader's antenna field. The Electronic Product Code (EPC) Class 1 Generation 2 (Gen2 for short) is a proper example of passive RFID technology. It represents the key component of an RFID architecture named EPCglobal network. However, if the tag carries more than just an identifier, the privacy of the tag holder may be violated. In this thesis, we deal with privacy issues in two levels of the EPCglobal network to only let authorized entities access private data. Our goal is to ensure that the data exchange from RFID tags to middleware and enterprise applications guarantees the privacy requirements, in environments where privacy control is paramount, e.g., home healthcare monitoring systems. The first part of this dissertation is dedicated to securing data exchange between RFID readers and passive tags. We provide a key establishment and derivation protocol for Gen2 systems, called KEDGEN2, to handle the flawed security model of the Gen2 tag memory access. KEDGEN2 achieves secure data exchange, based on a key generation model adapted to Gen2 tags. To prove the security of our model, we specify the protocol using the High Level Protocol Specification Language (HLPSL) and verify the expected security properties, using the Constraint-Logic based Attack Searcher (CL-AtSe) model checking tool. The current version of the protocol guarantees mutual authentication of participants and forward secrecy of the keys in the presence of active adversaries. It also guarantees backward secrecy with active adversaries bounded by limited communication range, which is consistent with typical RFID environments. As for derived keys, we propose adapting the Solitaire cipher, as a Pseudo-random Number Generator. To complement our approach, an additional filter is added and described in the second part of this dissertation. We focus on the collection of tag information through the RFID middleware component. The middleware is a central point that sits between RFID readers and database applications. It is in charge of collecting, filtering and aggregating the requested events from heterogeneous RFID environments. Thus, the system at this point is likely to suffer from parameter manipulation and eavesdropping, raising privacy concerns. We propose a privacy-enhanced approach as a part of the RFID middleware of the EPCglobal network, which does not interfere with the standard interface. Our approach is policy driven using some enhanced contextual concepts of the extended Role Based Access Control model. We use specifically, the PrivOrBAC privacy-aware model to store and manage privacy preferences, taking the declared purpose, the accuracy and the explicit consent, as privacy requirements. To show the feasibility of our approach, we provide a proof-of-concept prototype that we apply to the Fosstrak plateform, an open-source implementation of the EPCglobal specifications.

[pt] Esta tese apresenta uma nova metodologia para a avaliação de índices de freqüência e duração (FeD) em estudos de confiabilidade composta geração e transmissão de sistemas de potência de grande porte. Os índices FeD são obtidos através do método de simulação Monte Carlo não seqüencial. São desenvolvidas duas técnicas de Lagrange associados à análise de desempenho de cada estado são utilizados para identificar a fronteira que separa os estados de falha e sucesso do sistema. A segunda usa os conceitos de probabilidade condicional e coerência do sistema para caracterizar a contribuição de cada componente nos índices de freqüência. A primeira técnica também é utilizada no cálculo de limites superiores destes índices. A aplicação da metodologia é ilustrada através de estudos de casos com três sistemas, de 24, 120 e 500 barras, derivados de sistemas reais. os estudos indicam que ambas as técnicas se constituem em alternativas bastante atraentes para a estimação dos índices FeD. a primeira técnica mostrou-se ser cerca de 30% mais eficiente que a segunda, em termos computacionais. Por outro lado, a segunda técnica é mais flexível e, também, de implementação mais fácil. Viabiliza-se portanto, a aplicação prática de índices de freqüência e duração no planejamento integrado de sistemas geração/transmissão / [en] This thesis presents a new methodology for frequency and duration (FeD) assessment in composite generation and transmission reliability evaluation of large scale power systems. The FeD indices are obtained from a nonsequential Monte Carlo simulation scheme. Two tecniques are developed to estimate the feD indices. In the first, the Lagrange multipliers associated to the adequacy assessment of each state are used to identify the boundary wall between failure and success states. The second approach uses the concept of conditional probability and system coherence to caracterize the contribuition of each component to the frequency indices. Also, the first technique is used to calculate upper bounds of these indices. The methodology is illustrated in case studies with three test systems, with 24, 120 and 500 buses, derived from real systems. The studies indicated that both tecniques are very attractive in estimating the FeD índices. The first approach was about 30% faster than the second one. On the other hand, the second approach is more flexible and easy to implement. The proposed approach allows the pratical utilization of frequency and duration indices in integrates generation/transmission planning studies.

O Brasil é afortunado com sua riqueza natural e tradicionalmente faz bom uso do potencial hídrico e de biocombustíveis para compor sua matriz energética. Na década de 2010, o destaque está na implementação na matriz elétrica nacional, de sistemas de energia eólica e de energia solar fotovoltaica, estes últimos com expectativa de acentuada expansão. Alguns fatores levam a esta expectativa, como a boa irradiação solar em grande parte do país, custo da energia fotovoltaica próximo às tarifas de energia elétrica vigente, e ambiente regulatório que estimula investidores. Este trabalho descreve a saga dos atores do setor elétrico brasileiro em propiciar o desenvolvimento da cadeia da energia fotovoltaica e enfatiza a importância dos recursos humanos especializados na área. O arcabouço legal e tributário, que embasa as políticas publica de estímulo, as ações de padronização dos sistemas, as pesquisas desenvolvidas e as ações para capacitar profissionais, a partir de 1991 até 2017, estão ordenados. O cenário mundial mostra que o aumento da potência instalada de sistemas que utilizam as fontes alternativas de energia renovável leva à geração de empregos, que exigem novos conhecimentos e habilidades. A expansão, no Brasil, do número de instalações de usinas centralizadas e sistemas de geração distribuída fotovoltaica no país leva ao aumento de postos de trabalho. Um dos desafios para a continuidade da disseminação dos sistemas fotovoltaicos, que exige um contingente elevado de recursos humanos, está na formação de profissionais. São profissionais para concepção, instalação, comercialização, operação e manutenção dos sistemas. No cenário mundial, entre as modalidades de energia renovável, a cadeia da energia fotovoltaica é a que apresenta maior número de postos de trabalho por quilowatt instalado, representando cerca de 30% dos postos de trabalho. Este trabalho também aponta caminhos para a implementação de cursos na área de energia renovável e eficiência energética na Rede Federal de Educação Profissional, Científica e Tecnológica, com foco na inserção da energia fotovoltaica, seus sistemas e instalações. Para a consolidação do mercado da energia fotovoltaica é essencial que haja disponibilidade de profissionais que garantam a segurança e a eficiência na produção das instalações dos sistemas ao longo de sua vida útil. O desenvolvimento da cadeia de energia solar fotovoltaica promove a oportunidade de agregar energia sustentável à matriz energética, promove a geração de empregos e renda pelo extenso território nacional. O desenvolvimento da referida cadeia não prescinde da estruturação de uma rede de ensino com foco na área fotovoltaica. / Brazil is fortunate in natural resources and traditionally makes good use of water potential and biofuels in its energy matrix. In the 2010-decade the highlight is in the setting up of large-scale wind energy and photovoltaic solar energy systems, these last with a forecast of marked expansion. Some factors give support to this expectation; good solar irradiation in most of the countrys surface, cost reduction of photovoltaic energy being close to the current electricity tariffs and a regulatory system stimulating investors. This work describes the Brazilian electric sector actors saga on the photovoltaic energy chain development, whilst highlights the importance of photovoltaic specialized human resources. The legal and tributary framework, which is the basis of the public policy stimulus, PV systems standardization actions, the developed research, as well as the professionals training actions, from 1991 to 2017, are described. The world scenario shows that the capacity increase of renewable energy systems leads to jobs creation, which requires new knowledge and skills. The growth number of centralized generation plants and distributed photovoltaic generation systems, leads to the increase of jobs in Brazil. One of the challenges for the continuity of the photovoltaic systems dissemination, which requires a high contingent of human resources, lies in the training of professionals. These are professionals trained for the design, installation, commercialization and systems operation and maintenance. In the world scenario, among the renewable energy modalities, the photovoltaic energy chain is the one that exhibits the highest number of jobs per installed kilowatt, representing about 30% of the jobs. This work describes the renewable energy and energy efficiency courses implanted at the Rede Federal de Educação Profissional, Científica e Tecnológica focusing on the insertion of photovoltaic energy, its systems and facilities. The availability of skilled personnel is mandatory to ensure the photovoltaic energy market consolidation. Those professionals are needed to ensure the safety and the efficiency of energy production systems throughout their life cycle. The development of the photovoltaic solar energy chain promotes the opportunity to add sustainable energy to the energy matrix, promotes the generation of jobs and financial income throughout the national territory. The development of the PV chain cannot neglect the need to increase of a teaching network focused on the photovoltaic area.

O Brasil é afortunado com sua riqueza natural e tradicionalmente faz bom uso do potencial hídrico e de biocombustíveis para compor sua matriz energética. Na década de 2010, o destaque está na implementação na matriz elétrica nacional, de sistemas de energia eólica e de energia solar fotovoltaica, estes últimos com expectativa de acentuada expansão. Alguns fatores levam a esta expectativa, como a boa irradiação solar em grande parte do país, custo da energia fotovoltaica próximo às tarifas de energia elétrica vigente, e ambiente regulatório que estimula investidores. Este trabalho descreve a saga dos atores do setor elétrico brasileiro em propiciar o desenvolvimento da cadeia da energia fotovoltaica e enfatiza a importância dos recursos humanos especializados na área. O arcabouço legal e tributário, que embasa as políticas publica de estímulo, as ações de padronização dos sistemas, as pesquisas desenvolvidas e as ações para capacitar profissionais, a partir de 1991 até 2017, estão ordenados. O cenário mundial mostra que o aumento da potência instalada de sistemas que utilizam as fontes alternativas de energia renovável leva à geração de empregos, que exigem novos conhecimentos e habilidades. A expansão, no Brasil, do número de instalações de usinas centralizadas e sistemas de geração distribuída fotovoltaica no país leva ao aumento de postos de trabalho. Um dos desafios para a continuidade da disseminação dos sistemas fotovoltaicos, que exige um contingente elevado de recursos humanos, está na formação de profissionais. São profissionais para concepção, instalação, comercialização, operação e manutenção dos sistemas. No cenário mundial, entre as modalidades de energia renovável, a cadeia da energia fotovoltaica é a que apresenta maior número de postos de trabalho por quilowatt instalado, representando cerca de 30% dos postos de trabalho. Este trabalho também aponta caminhos para a implementação de cursos na área de energia renovável e eficiência energética na Rede Federal de Educação Profissional, Científica e Tecnológica, com foco na inserção da energia fotovoltaica, seus sistemas e instalações. Para a consolidação do mercado da energia fotovoltaica é essencial que haja disponibilidade de profissionais que garantam a segurança e a eficiência na produção das instalações dos sistemas ao longo de sua vida útil. O desenvolvimento da cadeia de energia solar fotovoltaica promove a oportunidade de agregar energia sustentável à matriz energética, promove a geração de empregos e renda pelo extenso território nacional. O desenvolvimento da referida cadeia não prescinde da estruturação de uma rede de ensino com foco na área fotovoltaica. / Brazil is fortunate in natural resources and traditionally makes good use of water potential and biofuels in its energy matrix. In the 2010-decade the highlight is in the setting up of large-scale wind energy and photovoltaic solar energy systems, these last with a forecast of marked expansion. Some factors give support to this expectation; good solar irradiation in most of the countrys surface, cost reduction of photovoltaic energy being close to the current electricity tariffs and a regulatory system stimulating investors. This work describes the Brazilian electric sector actors saga on the photovoltaic energy chain development, whilst highlights the importance of photovoltaic specialized human resources. The legal and tributary framework, which is the basis of the public policy stimulus, PV systems standardization actions, the developed research, as well as the professionals training actions, from 1991 to 2017, are described. The world scenario shows that the capacity increase of renewable energy systems leads to jobs creation, which requires new knowledge and skills. The growth number of centralized generation plants and distributed photovoltaic generation systems, leads to the increase of jobs in Brazil. One of the challenges for the continuity of the photovoltaic systems dissemination, which requires a high contingent of human resources, lies in the training of professionals. These are professionals trained for the design, installation, commercialization and systems operation and maintenance. In the world scenario, among the renewable energy modalities, the photovoltaic energy chain is the one that exhibits the highest number of jobs per installed kilowatt, representing about 30% of the jobs. This work describes the renewable energy and energy efficiency courses implanted at the Rede Federal de Educação Profissional, Científica e Tecnológica focusing on the insertion of photovoltaic energy, its systems and facilities. The availability of skilled personnel is mandatory to ensure the photovoltaic energy market consolidation. Those professionals are needed to ensure the safety and the efficiency of energy production systems throughout their life cycle. The development of the photovoltaic solar energy chain promotes the opportunity to add sustainable energy to the energy matrix, promotes the generation of jobs and financial income throughout the national territory. The development of the PV chain cannot neglect the need to increase of a teaching network focused on the photovoltaic area.

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Sistemas modernos de comunicação móvel sem fio, como os de quarta geração (4G), têm como principais metas prover elevada capacidade e alta qualidade de serviço (QoS) para os usuários. Para prover tal aumento de capacidade e QoS, sistemas 4G empregam diversas técnicas avançadas de transmissão e maior largura de banda, combinados com algoritmos de alocação de recursos que possam explorar de maneira eficiente tais técnicas, como por exemplo aproveitando as dimensões de diversidade do sistema. Em geral, porém, é necessário também aumentar a potência de transmissão para se atingir o ganho de capacidade desejado, o que implica maior custo para os provedores de serviço, menor tempo de vida para os dispositivos móveis e impacto ambiental cada vez mais pronunciado. Dado que a expectativa é que o número de usuários e a necessidade de dados continuem crescendo rapidamente, torna-se evidente a importância de analisar a relação entre capacidade e potência dispendida pelo sistema. Essa relação pode ser vista através da métrica de eficiência energética (EE), que é dada pela razão entre o número de bits efetivamente recebidos e a energia consumida no processo, revelando quão eficientemente o sistema transforma a energia consumida em informação efetivamente recuperada no receptor. Um sistema otimizado em relação à EE é capaz de transmitir mais informação por unidade de energia consumida, resultando em utilização mais racional e eficiente dos escassos recursos energéticos. Uma segunda questão acerca das metas é em relação à distribuição dos ganhos de capacidade/ QoS pela célula, i.e., quais usuários serão capazes de usufruir da maior capacidade e QoS. Em ambientes macrocelulares urbanos, a perda de percurso pode chegar a várias dezenas de decibéis em distâncias relativamente pequenas, além dos obstáculos naturais, como relevo, e artificiais, como prédios, o que limita ainda mais o desenvolvimento de sistemas energeticamente eficientes. Em abordagens tradicionais, tais problemas exigem a utilização de potências elevadas, em geral superiores à potência que os dispositivos podem utilizar, ou então requerem o aumento da densidade de estações rádio-base (BSs), o que geralmente resulta em custos inviáveis do ponto de vista dos operadores. Assim, busca-se em sistemas 4G emular o aumento da densidade de BSs através do conceito de redes heterogêneas, que são células com menor área de cobertura instaladas em pontos críticos de cobertura da célula original, como por exemplo a região de borda de célula, atendendo de maneira eficiente os usuários. No cenário de redes heterogêneas, um dos principais paradigmas é o conceito de redes cooperativas, no qual estações retransmissoras (RSs) reenviam o sinal recebido da estação fonte para estação destino, reduzindo a potência consumida com o canal móvel sem fio. Como utilizam conexão sem fio com a BS, as RSs podem ser instaladas em regiões com pouca infraestrutura sem a necessidade de grandes modificações, resultando em implantações bastante flexíveis. Assim, este trabalho de doutorado visa investigar estratégias de alocação de recursos baseadas no incremento da eficiência energética para sistemas celulares de quarta e quinta gerações utilizando o paradigma de redes cooperativas, determinando potencialidades e também itens que necessitam ser modificados, otimizados ou mesmo redefinidos, tendo em vista um aumento substancial da eficiência energética global da rede de comunicação sem fio. Busca-se durante o desenvolvimento do modelo de sistema capturar e quantificar as principais características de importantes sistemas celulares em uso atualmente, i.e., LTE-A e WiMAX, de modo que as decisões de design considerem os esforços de padronização, porém não se limitem a eles. Como a abordagem de alocação de recursos baseada em EE pode impactar nas métricas de desempenho do sistema, investiga-se também o compromisso entre as eficiências energética e espectral (SE), de modo que o aumento da EE não seja causado apenas pela degradação da SE e que seja possível obter maior EE para uma mesma SE e QoS. / Modern wireless communication systems, such as the fourth generation (4G) ones, have as main objectives to provide high capacity and quality of service (QoS) for the users. In order to provide such capacity and QoS gain, 4G systems use several advanced transmission techniques and higher bandwidth, combined with resource allocation algorithms that are able to efficiently exploit such techniques, as for example taking advantage of the diversity dimensions of the system. Generally, however, it is also necessary to increase the transmission power to achieve the desired capacity gain, which implies increased costs for service providers, shorter lifetime for the mobile devices and increasingly pronounced environmental impact. Since the expectation is that the number of users and data necessity will continue growing rapidly, it is evident the importance of analyzing the relation between capacity and power expended by the system. This relation can be seen through the energy efficiency (EE) metric, which is given by the ratio between the number of effectively received information bits and the energy consumed in the transmission process, revealing how efficiently the system transform consumed energy into effectively recovered information at the receiver. A system optimized regarding EE is able to transmit more information per unit of energy consumed, resulting in a more rational and efficient utilization of the scarce energetic resources. A second issue is relative to the distribution of the capacity/QoS gains over the whole cell, i.e, which users will be able to take advantage of the higher capacity and QoS. In urban macrocellular environments, the path-loss can reach several tens of decibels in relatively short distances, in addition to natural obstacles, such as land relief, or artificial, such as buildings, which further limits the development of energetically efficient systems. In traditional approaches, such problems require the use of high transmission power, generally greater than the power that the devices can use, or else require increased density of base-stations (BSs), which generally results in unviable costs from the operators point of view. Thus, in 4G systems it is sought to emulate the increase in the density of BSs through the concept of heterogeneous networks, which are cells with smaller coverage area installed in critical points of the original macrocell coverage, as for example the cell-edge area, serving efficiently the users. In the heterogeneous networks scenario, one of the main paradigms is the concept of cooperative networks, in which relay stations (RSs) retransmit the signal received from the source station to the destination station, reducing the power consumed with the mobile wireless channel. As the RSs use a wireless connection to the BS, they can be installed in places with poor infrastructure without requiring major modifications, resulting in very flexible deployments. Thus, this PhD work aims to investigate resource allocation strategies based on the improvement of the energy efficiency for fourth and fifty generation cellular systems using the cooperative networks paradigm, determining potentialities and also items that need to be modified, optimized or even redefined, aiming to a substantial increase in the overall energy efficiency of the wireless communication network. It is sought during the development of the system model to capture and quantify the main features of important cellular systems currently in use, i.e., LTE-A and WiMAX, so that the design decisions consider the standardization efforts, but do not be limited by them. Since the EE-based resource allocation approach can impact the performance metrics of the system, it will be investigated also the tradeoff between energy and spectral (SE) efficiencies, so that the increase in energy efficiency is not caused by degradation of the SE and also to be possible to obtain a higher EE for a same SE and QoS.

A utilização de conversores multiníveis tem sido uma importante alternativa para aplicações de alta potência e média tensão, graças aos altos níveis de potência alcançáveis por estas estruturas. Recentemente, esta topologia de conversores foi aplicada em sistemas com fontes alternativas para alimentar um sistema de geração distribuída, nos quais diferentes fontes de energia eram utilizadas. Com base nas características dos conversores multinível e sua potencial aplicabilidade em sistemas de geração distribuída, este trabalho tem como objetivo construir um sistema multinível conectado a rede de distribuição para utilização de fontes alternativas de energia como fontes primárias. Considerando que a energia fornecida pelas fontes alternativas pode sofrer variações, propõe-se a integração de sistemas armazenadores de energia, como capacitores, ao sistema multinível. Por isso, este trabalho desenvolve uma estratégia de controle para máxima transferência de potência ativa entregue à rede a fim de obter um fluxo ótimo. A topologia multinível deste trabalho possui em sua configuração dois módulos inversores conectados em série. Neste caso, é possível que pelo menos um desses inversores funcione com uma modulação em baixa frequência processando a maior parcela de potência. Assim, duas estratégias de controle modulação de fase e modulação de amplitude para a transferência de potência realizada pelo inversor de baixa frequência são analisadas. As vantagens e desvantagens de cada um dos métodos são expostas e então a estratégia mais adequada, no caso a modulação de amplitude, é utilizada na operação do conversor multinível. Além disso, são apresentados a modelagem das plantas e o projeto dos controladores de cada um dos módulos inversores. Por fim, a validação da proposta é feita através dos resultados de simulações e experimentais que mostram a capacidade do sistema de geração em transferir potência constante para a rede de distribuição e manter a corrente quase sem distorções em fase com a tensão. / The utilization of multilevel converters has been an important alternative for medium voltage applications with high power and power quality demand, thanks to the high power levels achievable for this kind of structure. Recently, this converter topology was proposed as a new possibility in renewable energy source applications, mainly in system delivering power to the grid, where different renewable energy resources may be used. Based on the characteristics of multilevel converters, and their potential applicability in distributed generation systems, this study aims to build a multilevel system that could be powered by renewable energy sources as primary sources and then connect them to a distribution grid. However, considering the energy produced by alternative sources can vary, it is analyzed the integration of a storage energy system in this multilevel topology. Taking into account this ends, the main concern of this study is related to the development of a control strategy to maximize the active power transferred to the grid. The multilevel topology employed in this study has two H-bridge inverter modules connected in series forming a cascaded configuration. Therefore, it is possible that at least one of these inverters, operating with a low frequency of modulation, process the majority of power with lower amount of losses. On this way, two control strategies for power transfer are analyzed. The advantages and disadvantages of each method are presented, and the most appropriated strategy is used in the operation of the multilevel converter system. In addition, it has been presented the design criteria for each controller and finally the validation of the proposed approach is done by mains of simulations and experimental results which show the ability of the converter to transfer constant active power to the grid and keep the grid current in phase with the grid voltage.

Sistemas modernos de comunicação móvel sem fio, como os de quarta geração (4G), têm como principais metas prover elevada capacidade e alta qualidade de serviço (QoS) para os usuários. Para prover tal aumento de capacidade e QoS, sistemas 4G empregam diversas técnicas avançadas de transmissão e maior largura de banda, combinados com algoritmos de alocação de recursos que possam explorar de maneira eficiente tais técnicas, como por exemplo aproveitando as dimensões de diversidade do sistema. Em geral, porém, é necessário também aumentar a potência de transmissão para se atingir o ganho de capacidade desejado, o que implica maior custo para os provedores de serviço, menor tempo de vida para os dispositivos móveis e impacto ambiental cada vez mais pronunciado. Dado que a expectativa é que o número de usuários e a necessidade de dados continuem crescendo rapidamente, torna-se evidente a importância de analisar a relação entre capacidade e potência dispendida pelo sistema. Essa relação pode ser vista através da métrica de eficiência energética (EE), que é dada pela razão entre o número de bits efetivamente recebidos e a energia consumida no processo, revelando quão eficientemente o sistema transforma a energia consumida em informação efetivamente recuperada no receptor. Um sistema otimizado em relação à EE é capaz de transmitir mais informação por unidade de energia consumida, resultando em utilização mais racional e eficiente dos escassos recursos energéticos. Uma segunda questão acerca das metas é em relação à distribuição dos ganhos de capacidade/ QoS pela célula, i.e., quais usuários serão capazes de usufruir da maior capacidade e QoS. Em ambientes macrocelulares urbanos, a perda de percurso pode chegar a várias dezenas de decibéis em distâncias relativamente pequenas, além dos obstáculos naturais, como relevo, e artificiais, como prédios, o que limita ainda mais o desenvolvimento de sistemas energeticamente eficientes. Em abordagens tradicionais, tais problemas exigem a utilização de potências elevadas, em geral superiores à potência que os dispositivos podem utilizar, ou então requerem o aumento da densidade de estações rádio-base (BSs), o que geralmente resulta em custos inviáveis do ponto de vista dos operadores. Assim, busca-se em sistemas 4G emular o aumento da densidade de BSs através do conceito de redes heterogêneas, que são células com menor área de cobertura instaladas em pontos críticos de cobertura da célula original, como por exemplo a região de borda de célula, atendendo de maneira eficiente os usuários. No cenário de redes heterogêneas, um dos principais paradigmas é o conceito de redes cooperativas, no qual estações retransmissoras (RSs) reenviam o sinal recebido da estação fonte para estação destino, reduzindo a potência consumida com o canal móvel sem fio. Como utilizam conexão sem fio com a BS, as RSs podem ser instaladas em regiões com pouca infraestrutura sem a necessidade de grandes modificações, resultando em implantações bastante flexíveis. Assim, este trabalho de doutorado visa investigar estratégias de alocação de recursos baseadas no incremento da eficiência energética para sistemas celulares de quarta e quinta gerações utilizando o paradigma de redes cooperativas, determinando potencialidades e também itens que necessitam ser modificados, otimizados ou mesmo redefinidos, tendo em vista um aumento substancial da eficiência energética global da rede de comunicação sem fio. Busca-se durante o desenvolvimento do modelo de sistema capturar e quantificar as principais características de importantes sistemas celulares em uso atualmente, i.e., LTE-A e WiMAX, de modo que as decisões de design considerem os esforços de padronização, porém não se limitem a eles. Como a abordagem de alocação de recursos baseada em EE pode impactar nas métricas de desempenho do sistema, investiga-se também o compromisso entre as eficiências energética e espectral (SE), de modo que o aumento da EE não seja causado apenas pela degradação da SE e que seja possível obter maior EE para uma mesma SE e QoS. / Modern wireless communication systems, such as the fourth generation (4G) ones, have as main objectives to provide high capacity and quality of service (QoS) for the users. In order to provide such capacity and QoS gain, 4G systems use several advanced transmission techniques and higher bandwidth, combined with resource allocation algorithms that are able to efficiently exploit such techniques, as for example taking advantage of the diversity dimensions of the system. Generally, however, it is also necessary to increase the transmission power to achieve the desired capacity gain, which implies increased costs for service providers, shorter lifetime for the mobile devices and increasingly pronounced environmental impact. Since the expectation is that the number of users and data necessity will continue growing rapidly, it is evident the importance of analyzing the relation between capacity and power expended by the system. This relation can be seen through the energy efficiency (EE) metric, which is given by the ratio between the number of effectively received information bits and the energy consumed in the transmission process, revealing how efficiently the system transform consumed energy into effectively recovered information at the receiver. A system optimized regarding EE is able to transmit more information per unit of energy consumed, resulting in a more rational and efficient utilization of the scarce energetic resources. A second issue is relative to the distribution of the capacity/QoS gains over the whole cell, i.e, which users will be able to take advantage of the higher capacity and QoS. In urban macrocellular environments, the path-loss can reach several tens of decibels in relatively short distances, in addition to natural obstacles, such as land relief, or artificial, such as buildings, which further limits the development of energetically efficient systems. In traditional approaches, such problems require the use of high transmission power, generally greater than the power that the devices can use, or else require increased density of base-stations (BSs), which generally results in unviable costs from the operators point of view. Thus, in 4G systems it is sought to emulate the increase in the density of BSs through the concept of heterogeneous networks, which are cells with smaller coverage area installed in critical points of the original macrocell coverage, as for example the cell-edge area, serving efficiently the users. In the heterogeneous networks scenario, one of the main paradigms is the concept of cooperative networks, in which relay stations (RSs) retransmit the signal received from the source station to the destination station, reducing the power consumed with the mobile wireless channel. As the RSs use a wireless connection to the BS, they can be installed in places with poor infrastructure without requiring major modifications, resulting in very flexible deployments. Thus, this PhD work aims to investigate resource allocation strategies based on the improvement of the energy efficiency for fourth and fifty generation cellular systems using the cooperative networks paradigm, determining potentialities and also items that need to be modified, optimized or even redefined, aiming to a substantial increase in the overall energy efficiency of the wireless communication network. It is sought during the development of the system model to capture and quantify the main features of important cellular systems currently in use, i.e., LTE-A and WiMAX, so that the design decisions consider the standardization efforts, but do not be limited by them. Since the EE-based resource allocation approach can impact the performance metrics of the system, it will be investigated also the tradeoff between energy and spectral (SE) efficiencies, so that the increase in energy efficiency is not caused by degradation of the SE and also to be possible to obtain a higher EE for a same SE and QoS.