Orientador: Carlos Alberto Canesin / Resumo: Frente aos novos desafios impostos ao cenário energético mundial, esta tese de doutorado implementa e analisa uma micro-rede de geração distribuída (GD), com acumulação e capacidade de operação conectada ou desconectada da rede de distribuição de energia elétrica (RDEE). A energia é fornecida à RDEE através de seis inversores monofásicos, constituindo uma rede trifásica, sendo três deles com capacidade de operação ilhada e conectada, e outros três com características de fonte de corrente que podem injetar energia de forma controlada, ativa ou reativa, no ponto de conexão comum (PCC). Através do sistema de acumulação com baterias do tipo chumbo-ácido, também é possível que o sistema minimize o consumo de energia da RDEE, mesmo quando não há energia solar, extraindo potência das baterias. Tendo em vista que a quase totalidade dos inversores utilizados em um sistema de GD fornecem somente potência ativa, ou trabalhem com fator de potência fixo, este trabalho também implementa o controle dinâmico de P e Q na micro-rede, atuando como compensador de tensão no PCC e promovendo melhorias na qualidade da energia elétrica. A micro-rede é gerenciada por um programa desenvolvido para o controle de todos os dispositivos essenciais presentes na GD, incluindo controle da carga e descarga do sistema de acumulação, controle dos contatores de conexão de todo o sistema, e controle do firmware dos inversores conectados, permitindo total liberdade de gestão da energia disponível, resultando numa ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Considering the new challenges imposed in the energetic scenario around the world, this PhD thesis implements and analyzes a micro-grid of Distributed Generation (DG) plant with accumulation and capability of operation connected or islanded from the electric power distribution grid. The system will supply power to the utility grid and local loads through six single-phase inverters, constituting a three-phase system, among which three are with capability to operate in islanded and connected mode, and the other three single-phase inverters with current source characteristic that can inject active or reactive power in a controlled manner at the point of common coupling (PCC). Through the accumulation system with lead-acid batteries technology, it is also possible that the system minimizes the utility grid consumption, though without solar energy. Given that most of the available inverters for DG are designed only to provide active power or to operate with a fixed power factor, this work, in the meantime, implements the dynamic control of the supplied active and reactive power (P and Q) in micro-grid, acting as a voltage compensator at the PCC to improve the quality of electric power. The micro-grid is managed by software designed to control and communicate with all essential devices in DG, including control of charge and discharge of the accumulation system, control of the whole system connection contactors, and the firmware control of grid connected inverters, which allow a wid... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Submitted by JOSÉ CARLOS UGAZ PEÑA null (josecarlos84@gmail.com) on 2016-06-20T13:29:30Z No. of bitstreams: 1 Tese_JoseCarlosPena_PPGEE.pdf: 9650212 bytes, checksum: 77b105d009c0b473cbc424e681ebe9a5 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-22T13:10:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pena_jcu_dr_ilha.pdf: 9650212 bytes, checksum: 77b105d009c0b473cbc424e681ebe9a5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-22T13:10:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pena_jcu_dr_ilha.pdf: 9650212 bytes, checksum: 77b105d009c0b473cbc424e681ebe9a5 (MD5) Previous issue date: 2016-06-02 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Os inversores fonte de tensão com filtro de saída LCL (VSI+LCL) são amplamente utilizados em sistemas de geração distribuída. Nestas aplicações o sistema é controlado como uma fonte de corrente, no entanto, há a possibilidade de controlar o conjunto como uma fonte de tensão. Desta forma, a mencionada configuração pode ser utilizada em geração distribuída no ambiente de microrredes onde os sistemas, monofásicos ou trifásicos, devem operar conectados à rede de distribuição elétrica com controle das potências injetadas (ativa e reativa) e serem capazes de, em ausência da rede, passar a operar no modo autônomo. Ainda, após o restabelecimento da rede, o controle deve levar o sistema a operar novamente no modo conectado. Sendo as transições realizadas sem transientes que possam danificar qualquer componente do sistema. O filtro LCL, de terceira ordem, caracteriza um comportamento ressonante que pode comprometer a estabilidade do sistema. Para resolver esta situação, diversas técnicas ativas e passivas são aplicadas. Para aplicações de baixa potência, preferem-se as técnicas passivas de amortecimento devido a sua simplicidade e baixo custo, porém estas implicam em perdas adicionais. Já as técnicas ativas de amortecimento, consideram procedimentos de controle para atenuar a ressonância, e, portanto, não adicionam perdas, porém, sua realização requer da realimentação de variáveis adicionais elevando assim o custo do sistema. Todavia, mesmo que aplicáveis a ambos os modos de operação, as técnicas de amortecimento disponíveis na literatura consideram apenas um modo de operação. O presente trabalho de doutorado explora a possibilidade de controlar sistemas VSI+LCL, monofásicos e trifásicos, em ambos os modos de operação, com atenção a objetivos específicos em cada modo e transições suaves entre estes. Assim, são apresentadas duas estratégias de controle. A primeira estratégia considera o amortecimento da ressonância por técnicas passivas, mediante a utilização de um ramo de amortecimento de segunda ordem, projetado para garantir o efeito desejado em ambos os modos de operação e simplificar a dinâmica do sistema a fim de facilitar o projeto dos controladores, abordagem não utilizada nos métodos conhecidos na literatura. Logo, o sistema amortecido é controlado em uma configuração de duas malhas, controlando a corrente injetada mediante a tensão no capacitor. A segunda estratégia proposta considera a utilização de controladores por realimentação de estados em tempo discreto, sintetizados mediante desigualdades matriciais lineares, para simultaneamente, realizar ativamente o amortecimento da ressonância e atender os objetivos de controle em ambos os modos de operação. Ambas as estratégias propostas consideram controladores ressonantes com o objetivo de rastrear sinais senoidais de referência com erro nulo e suprimir componentes harmônicos de baixa ordem na corrente de saída. Ainda, os controladores são projetados considerando a necessidade de garantir a estabilidade robusta do sistema, isto é, frente a perturbações externas (tais como variações na carga local, oscilações na tensão do barramento CC ou distúrbios na rede) e às variações em parâmetros do sistema, como a indutância de rede. As propostas são apresentadas em detalhe, incluindo os procedimentos de projeto assim como critérios para a geração e coordenação dos sinais de controle e referência. As estratégias propostas são avaliadas experimentalmente sendo os resultados obtidos discutidos e analisados considerando-se as respectivas normas para os casos de operação conectada e ilhada. / The voltage source inverter utilization with LCL filters (VSI+LCL) is extended in Distributed Electrical Energy Systems. In these applications, the system is controlled as a current source, however, it can also be controlled as a voltage source. Hence, this configuration is suitable for microgrids environment. In this scenario, the system should operate connected to utility grid with control of the supplied power (active or reactive) and also be capable, in case of grid absence, to operate in islanded mode. Then, if the grid is reestablished, system should be reconnected to grid. Moreover, these transitions should be smooth, with no hazardous transients. The third order filter leads to a resonant behavior that can compromise the system stability. In order to overcome this limitation, passive and active damping methods are used. In low power applications, passive damping methods are preferred due to their simplicity and low. Nevertheless, these methods lead to additional losses. On the other hand, active damping methods consider the feedback of additional variables in order to damp the resonance in closed loop, with no additional losses. This implies additional sensors, thus increasing the overall cost. Despite their effectiveness to damp the resonance in both autonomous and grid connected applications, the most of the damping methods are usually designed only for a specific operation mode. This work explores the possibility to control VSI+LCL systems, single and three-phase, in both operation modes, attending to specific goals in each one, and with smooth transitions between them. For that purpose, two control strategies are proposed. The first one considers passive damping methods, by using a second order damping branch which is designed in order to guarantee the desired effect in both operation modes, thus simplifying the system dynamics in order to ease the control. This approach is not known in the literature. Then, the damped system is controlled in a two loop strategy, where the output current is controlled by means of the capacitor voltage. The second strategy considers the utilization of discrete time state-feedback controllers, synthesized by Linear Matrix Inequalities, in order to simultaneously achieve the active damping and the control goals for both operation modes. The proposed strategies use resonant controllers in order to achieve the tracking of sinusoidal references and to suppress low order harmonics in the output current. Moreover, controllers are designed to achieve robust stability of the system, thus, even in front of external disturbances (such as local load variations, DC bus oscillations or grid disturbances) and variation on system parameters, such as the grid inductance. The two introduced strategies are detailed including the design procedure and the criterion to generate and coordinate the reference and control signals. The two proposed strategies were experimentally verified. The results were analyzed and compared to the requirements imposed by the related standards for both modes of operation. / CNPq: 141757/2012-4

Submitted by MARCOS GUTIERREZ ALVES null (mmarkos.alves@gmail.com) on 2017-10-18T17:25:15Z No. of bitstreams: 1 Marcos Gutierrez Alves - Tese.pdf: 10359243 bytes, checksum: 24da24ccb395d0581201cc49607f4bf6 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-10-23T18:18:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alves_mg_dr_ilha.pdf: 10359243 bytes, checksum: 24da24ccb395d0581201cc49607f4bf6 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-23T18:18:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alves_mg_dr_ilha.pdf: 10359243 bytes, checksum: 24da24ccb395d0581201cc49607f4bf6 (MD5) Previous issue date: 2017-08-21 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Frente aos novos desafios impostos ao cenário energético mundial, esta tese de doutorado implementa e analisa uma micro-rede de geração distribuída (GD), com acumulação e capacidade de operação conectada ou desconectada da rede de distribuição de energia elétrica (RDEE). A energia é fornecida à RDEE através de seis inversores monofásicos, constituindo uma rede trifásica, sendo três deles com capacidade de operação ilhada e conectada, e outros três com características de fonte de corrente que podem injetar energia de forma controlada, ativa ou reativa, no ponto de conexão comum (PCC). Através do sistema de acumulação com baterias do tipo chumbo-ácido, também é possível que o sistema minimize o consumo de energia da RDEE, mesmo quando não há energia solar, extraindo potência das baterias. Tendo em vista que a quase totalidade dos inversores utilizados em um sistema de GD fornecem somente potência ativa, ou trabalhem com fator de potência fixo, este trabalho também implementa o controle dinâmico de P e Q na micro-rede, atuando como compensador de tensão no PCC e promovendo melhorias na qualidade da energia elétrica. A micro-rede é gerenciada por um programa desenvolvido para o controle de todos os dispositivos essenciais presentes na GD, incluindo controle da carga e descarga do sistema de acumulação, controle dos contatores de conexão de todo o sistema, e controle do firmware dos inversores conectados, permitindo total liberdade de gestão da energia disponível, resultando numa importante ferramenta acadêmica de aprendizagem. Adicionalmente, a planta de GD é monitorada por meio de um programa de aquisição de dados do fluxo de energia elétrica que flui entre a GD e a RDEE, armazenando os dados relevantes em um banco de dados de informações para análises em longo prazo. É apresentada uma revisão bibliográfica para o cenário energético mundial e no Brasil, além das configurações de micro-rede com GD mais utilizadas no setor atualmente. O diagrama geral da micro-rede com GD é exposto, com descrição de cada equipamento e dimensionamento das fontes de energia solar. Finalmente, resultados experimentais e estruturas dos códigos são apresentados e discutidos. / Considering the new challenges imposed in the energetic scenario around the world, this PhD thesis implements and analyzes a micro-grid of Distributed Generation (DG) plant with accumulation and capability of operation connected or islanded from the electric power distribution grid. The system will supply power to the utility grid and local loads through six single-phase inverters, constituting a three-phase system, among which three are with capability to operate in islanded and connected mode, and the other three single-phase inverters with current source characteristic that can inject active or reactive power in a controlled manner at the point of common coupling (PCC). Through the accumulation system with lead-acid batteries technology, it is also possible that the system minimizes the utility grid consumption, though without solar energy. Given that most of the available inverters for DG are designed only to provide active power or to operate with a fixed power factor, this work, in the meantime, implements the dynamic control of the supplied active and reactive power (P and Q) in micro-grid, acting as a voltage compensator at the PCC to improve the quality of electric power. The micro-grid is managed by software designed to control and communicate with all essential devices in DG, including control of charge and discharge of the accumulation system, control of the whole system connection contactors, and the firmware control of grid connected inverters, which allow a wide control over the available energy and provide a significant academic studying platform. In addition, the energy flow between the DG and the utility grid is monitored through a power quality monitoring device, which is capable to send daily reports by email. In this way, a program was developed to store and recover all the relevant data in a database for the long-term analysis, compiling the results for easy interpretation. A literature review is presented for the world energy scenario, with more focus in Brazil, besides the micro-grid configurations with DG most used in the sector currently. This work also shows the general diagram of the micro-grid with DG describing the equipment and dimensioning the solar energy sources. Finally, it demonstrates and discusses experimental results and code structures.

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Resumo: Os inversores fonte de tensão com filtro de saída LCL (VSI+LCL) são amplamente utilizados em sistemas de geração distribuída. Nestas aplicações o sistema é controlado como uma fonte de corrente, no entanto, há a possibilidade de controlar o conjunto como uma fonte de tensão. Desta forma, a mencionada configuração pode ser utilizada em geração distribuída no ambiente de microrredes onde os sistemas, monofásicos ou trifásicos, devem operar conectados à rede de distribuição elétrica com controle das potências injetadas (ativa e reativa) e serem capazes de, em ausência da rede, passar a operar no modo autônomo. Ainda, após o restabelecimento da rede, o controle deve levar o sistema a operar novamente no modo conectado. Sendo as transições realizadas sem transientes que possam danificar qualquer componente do sistema. O filtro LCL, de terceira ordem, caracteriza um comportamento ressonante que pode comprometer a estabilidade do sistema. Para resolver esta situação, diversas técnicas ativas e passivas são aplicadas. Para aplicações de baixa potência, preferem-se as técnicas passivas de amortecimento devido a sua simplicidade e baixo custo, porém estas implicam em perdas adicionais. Já as técnicas ativas de amortecimento, consideram procedimentos de controle para atenuar a ressonância, e, portanto, não adicionam perdas, porém, sua realização requer da realimentação de variáveis adicionais elevando assim o custo do sistema. Todavia, mesmo que aplicáveis a ambos os modos de operação,... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The voltage source inverter utilization with LCL filters (VSI+LCL) is extended in Distributed Electrical Energy Systems. In these applications, the system is controlled as a current source, however, it can also be controlled as a voltage source. Hence, this configuration is suitable for microgrids environment. In this scenario, the system should operate connected to utility grid with control of the supplied power (active or reactive) and also be capable, in case of grid absence, to operate in islanded mode. Then, if the grid is reestablished, system should be reconnected to grid. Moreover, these transitions should be smooth, with no hazardous transients. The third order filter leads to a resonant behavior that can compromise the system stability. In order to overcome this limitation, passive and active damping methods are used. In low power applications, passive damping methods are preferred due to their simplicity and low. Nevertheless, these methods lead to additional losses. On the other hand, active damping methods consider the feedback of additional variables in order to damp the resonance in closed loop, with no additional losses. This implies additional sensors, thus increasing the overall cost. Despite their effectiveness to damp the resonance in both autonomous and grid connected applications, the most of the damping methods are usually designed only for a specific operation mode. This work explores the possibility to control VSI+LCL systems, single and three-phase... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor