Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Ph.D. Thesis proposes a comparison of modulation techniques, semiconductors devices technologies and topologies for multilevel inverters, in order to point out the multilevel drive system that presents the best performance for a given application. Initially, a comparison methodology is proposed which is based on selecting the switching frequency where all systems present 99% efficiency. The performance indeces included in this analysis are: semiconductor devices power losses, heat-sink volume, THD, DF1, DF2, common mode voltage and harmonic spectrum. For each topology of multilevel inverter it is made a comparison among the modulation techniques and semiconductor devices to obtain the set (modulation + semiconductor) that presents better overall performance. After, the comparisons for each topology, a comparison among the sets that present better results is made, leading to the choice of the best system for a given specific application. The modulation techniques that present the best performance for each multilevel inverter are implemented on an FPGA. Experimental results, such as inverters efficiency and output voltage waveform, are presented for a reduced scale prototype, with the intention of validating the models employed in this Phd Thesis. / Esta Tese de Doutorado propõe a comparação de técnicas de modulação, tecnologias de dispositivos semicondutores e topologias de inversores multiníveis, para realizar o apontamento do sistema de acionamento de média tensão que apresenta melhor desempenho para uma dada aplicação. Inicialmente é proposta uma metodologia de comparação, que tem como objetivo encontrar a frequência de comutação na qual cada sistema apresenta 99% de rendimento. Os índices de desempenho propostos para análise são: perdas nos dispositivos semicondutores, volume do dissipador, THD, DF1, DF2, tensão de modo comum e espectro harmônico. Para cada topologia de inversor multinível é efetuada uma comparação entre as técnicas de modulação e os dispositivos semicondutores selecionados, para determinar o conjunto (modulação + semicondutor) que apresentam os melhores resultados nos índices de desemplenho supracitados. Após as comparações para cada topologia, é realizada uma comparação entre os conjuntos que apresentaram melhor resultado, levando ao apontamento do sistema mais adequado para uma dada aplicação. As técnicas de modulação que apresentaram melhor desempenho para cada inversor multinível são implementadas em FPGA. Os resultados experimentais como rendimento dos inversores e formas de onda das tensões de saída são apresentados para protótipos de escala reduzida, objetivando validar alguns dos modelos empregados na Tese.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master Thesis presents a methodology to compare different topologies and configurations of multilevel systems applied to drive medium voltage induction motors. Initially, it presents the input and output parameters that must be supplied by the power drivesystems manufacturer. Then, the mathematical models of the performance indexes used are presented, being, the total harmonic distortion, first order distortion factor and the power losses of the main semiconductors devices. After, it is presented a methodology that allows the amplitude selection of DC sources for the inverter with a specific number of cascaded Hbridge cells. A study regarding the hybrid multilevel modulation strategies and the impact of their variations on the semiconductors devices power losses of the output inverter is developed. Based on this study, it is proposed a new hybrid multilevel modulation technique, it minimizes the semiconductors power losses and allow the use of front-end uncontrolled rectifiers without modifying the total harmonic distortion of the output voltage inverter. After, it is developed a comparative study between the asymmetrical hybrid multilevel inverter and the symmetrical multilevel inverter, which enables the determination of the switching frequency for the one determined performance and the maximum switching frequency of each converter. This Master Thesis presents complementary methods of design of the hybrid multilevel inverter and a methodology that will make possible to choose the drive system that presents high efficiency and reduced cost, neither penalizing the energy quality of the utility grid nor the induction motor constraints. / Esta Dissertação de Mestrado apresenta uma metodologia para comparar diferentes topologias e configurações de sistemas multiníveis aplicados ao acionamento de motores de indução de média tensão. Inicialmente são apresentados os parâmetros de entrada e saída que devem ser fornecidos pelos fabricantes de sistemas de acionamento de alta potência. Então, são apresentados os modelos matemáticos dos índices de desempenho utilizados, sendo eles, distorção harmônica total, fator de distorção de primeira ordem e perdas nos dispositivos semicondutores principais. Posteriormente, é apresentada uma metodologia que permite selecionar a amplitude das fontes CC para um inversor com um número específico de células H-bridge conectadas em série. Um estudo a respeito das estratégias de modulação multinível híbrida e o impacto de suas variações sobre as perdas dos dispositivos semicondutores do inversor de saída é apresentado. Fundamentado neste estudo, é proposta uma nova técnica de modulação multinível hibrida, que minimiza as perdas nos semicondutores e permite o uso de retificadores não controlados no estágio de entrada sem modificar a distorção harmônica total da tensão de saída do inversor. Depois, é desenvolvido um estudo comparativo entre o inversor multinível híbrido assimétrico e o inversor multinível simétrico, que permite a determinação da freqüência de comutação para um rendimento específico e a máxima freqüência de comutação de cada conversor. Esta Dissertação de Mestrado apresenta métodos complementares de projeto de inversores multiníveis híbridos e uma metodologia que possibilitará escolher sistemas de acionamento que apresentem alta eficiência e custo reduzido, sem por isso prejudicar a qualidade da energia drenada da rede pública e fornecida ao motor de indução.

Estágio realizado na EDP Distribuição - e orientado pelo Eng. Pedro Terras Marques / Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de Especialização de Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

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Em meio ao cenário de crise energética em muitos países, crescimento da demanda, maior conscientização ambiental e maior exigência por uma energia de qualidade por parte das sociedades modernas, a energia eólica tem ganhado importância econômica e estratégica. No Brasil, os empreendimentos eólicos são contratados por meio de leilões através dos quais são declarados vencedores aqueles empreendimentos que ofertam o menor preço pela energia gerada. Este modelo vigente é responsável por acirrar a concorrência e, consequentemente, instigar a busca pela otimização das propostas. Considerando este aspecto, é de grande interesse o desenvolvimento de ferramentas computacionais que auxiliem profissionais a desenvolver projetos viáveis técnica e economicamente na fase de planejamento, e de preferência otimizados. Parques eólicos são compostos basicamente por aerogeradores, transformadores responsáveis por elevarem a tensão de saída das turbinas para níveis adequados de distribuição, cabos de média tensão e subestações. A construção da rede coletora de média tensão (rede interna), responsável pela interconexão de todos os aerogeradores e subestações, constitui parcela considerável dos custos globais, o que tem motivado diversos pesquisadores a publicar trabalhos que objetivam encontrar a melhor topologia da rede elétrica que, ao mesmo tempo, minimize os custos e respeite os critérios técnicos estabelecidos, tais como: radialidade, conectividade, variação da tensão nos barramentos, máxima condução de corrente pelo condutor (sobrecarga nos ramos), entre outras. Tendo em vista tais considerações, é proposto nesse trabalho um novo algoritmo de solução para otimização da rede coletora de média tensão de parques eólicos, englobando a determinação da topologia de conexão entre os aerogeradores e subestações e o dimensionamento dos condutores, baseado na utilização de um algoritmo genético modificado como método de otimização. Objetiva-se com esse método minimizar os custos com a aquisição de alguns equipamentos e com as perdas de energia ao longo de um horizonte de planejamento. O método proposto foi testado em parques eólicos fictícios e os resultados obtidos comprovam que o modelo elaborado pode ser utilizado para projetar uma arquitetura otimizada da rede de distribuição interna de parques eólicos. / Among the various sources of renewable energy, wind energy stands out as one of the most promising. Amid the energy crisis scenario in many countries, the demand growth, greater environmental awareness and greater demand for energy quality on the part of modern societies, wind energy has gained economic and strategic importance. In Brazil, wind projects are contracted by means of auctions through which are declared winners those projects that offer the lowest price for energy generated. This current model is responsible for increase competition and consequently instigate the search for optimization of the proposals. Considering this aspect, it is of great interest the development of computational tools to assist professionals to develop technical and economically viable projects in the planning stage, and preferably optimized. Wind farms are basically composed of wind turbines, transformers responsible for raise the output voltage of the turbines for adequate levels of distribution, medium voltage cables and substations. The construction of the medium voltage collector network (internal network), responsible for the interconnection of all wind turbines and substations, constitutes a considerable share of the overall costs, which has motivated many researchers to publish works that aim to find the best grid topology of the electrical network that, at the same time, minimizes costs and respects the technical criteria established, such as: radial configuration, connectivity, voltage variation in bus, current conduction maximum through the cable (overhead in the branches), among others. In view of these considerations, it is proposed in this paper a new solution algorithm to optimization of the medium voltage collector network of wind farms, comprising the determination of topology of connection between the turbines and substations and the sizing of conductors, based on the use of a modified genetic algorithm as optimization method. The objective of this methodology is to minimize the costs of acquisition of some equipment and energy losses over a planning horizon. The proposed method was tested on fictitious wind farms and the results show that the model developed can be used to design the optimized architecture of internal distribution network of wind farms.

Lightning causes important transient disturbances on transmission and distribution systems, with consequent damages to equipment, outages, and general decrease of the power quality. The assessment of the lightning dielectric strength of power equipment is generally based on tests performed using the standard lightning impulse voltage (1.2 / 50 µs waveshape), although the characteristics of the lightning overvoltages depend on many parameters and may vary widely. The behavior of insulators when subject to non-standard impulses depends both on the voltage amplitude and waveshape, and therefore a reliable model is required to produce the corresponding volt-time curves. Although there is no method universally accepted for this purpose, one of the most used is the Disruptive Effect (DE) model, which is based on the integration method concept. The application of this model involves the estimation of some parameters for which different procedures have been proposed in the literature, as for instance the procedures by Darveniza and Vlastos, by Hileman, by Chowdhuri et al., and by Ancajima et al. Tests of representative lightning overvoltages were performed to obtain the critical flashover overvoltages (CFO) and the volt-time curves of typical porcelain pin-type insulators considering three standard medium-voltage distribution classes (15 kV, 24 kV, and 36 kV) and five impulse voltage waveshapes, of both polarities. These tests provided data for the analyses of the insulators\' behavior and the results obtained using the different procedures for estimating the DE parameters. It is shown that in some cases insulator flashover is not predicted. A new method is then developed and proposed for evaluating the dielectric behavior of MV insulators. The method is validated using the typical insulators of the three voltage classes and the five lightning impulse voltages considered, of positive and negative polarities. The calculated volt-time curves showed in general a good agreement with the measured results for all the cases studied. The mean difference between the measured and calculated times to breakdown, for all the cases considered, was about 1.3 s; while the maximum difference was 4.0 s. The application of the proposed method to evaluate the occurrence of insulator flashovers in the shield wire line (SWL) system implemented in the State of Rondônia due to nearby lightning strikes supports previous conclusions that indicate that lightning has a significant impact on the SWL system performance in regions with high ground flash density. / Descargas atmosféricas produzem distúrbios transitórios significativos em sistemas de transmissão e distribuição, com consequentes danos em equipamentos, interrupções e redução geral na qualidade de energia elétrica. A avaliação da suportabilidade dielétrica frente às descargas atmosféricas do equipamento de potência é geralmente baseada em ensaios realizados usando o impulso atmosférico de tensão normalizada (forma de onda 1.2 / 50 µs), contudo as características das sobretensões atmosféricas dependem de muitos parâmetros e podem variar amplamente. O comportamento dos isoladores quando sujeitos a impulsos não normalizados depende tanto da magnitude como da forma de onda da tensão, e então um modelo confiável é necessário para se obter as curvas tensão-tempo correspondentes. Embora não haja um método universalmente aceito para essa finalidade, um dos mais utilizados é o modelo de Efeito Disruptivo (DE), que é baseado no conceito do método de integração. A aplicação desse modelo envolve a estimativa de alguns parâmetros para os quais diferentes procedimentos têm sido propostos na literatura, como por exemplo, os procedimentos de Darveniza e Vlastos, de Hileman, de Chowdhuri et al. e de Ancajima et al. Ensaios de sobretensões atmosféricas representativas foram feitos para obter as tensões de descarga disruptiva (CFO) e as curvas de tensão-tempo de isoladores de porcelana típicos, tipo pino, considerando três classes de tensão de distribuição de média tensão (15 kV, 24 kV e 36 kV) e cinco formas de onda de impulso de tensão, de ambas as polaridades. Estes ensaios proporcionaram dados para as análises do comportamento dos isoladores e os resultados obtidos usando os diferentes procedimentos para estimar os parâmetros necessários para a aplicação do modelo do Efeito Disruptivo. É mostrado que em alguns casos a disrupção no isolador não é prevista por tais procedimentos. Um novo método é, então, desenvolvido e proposto para avaliar o comportamento dielétrico dos isoladores de média tensão. O método é validado usando os isoladores típicos das três classes de tensão e as cinco formas de tensões de impulso atmosféricos consideradas, de polaridades positiva e negativa. As curvas tensão-tempo calculadas mostraram, em geral, boa concordância com os resultados medidos para todos os casos estudados. A diferença média entre os tempos de disrupção medidos e calculados, para todos os casos considerados, foi da ordem de 1,3 s; enquanto a máxima diferença foi de 4,0 s. A aplicação do método proposto para avaliar a ocorrência de disrupções em isoladores do Sistema de Cabo Para-raios Energizados (PRE), implementado no estado de Rondônia, devido a descargas atmosféricas indiretas, apoia as conclusões previamente obtidas que indicam que as descargas atmosféricas têm impacto significativo sobre o desempenho do sistema PRE em regiões com alta densidade de descargas para solo.

Lightning causes important transient disturbances on transmission and distribution systems, with consequent damages to equipment, outages, and general decrease of the power quality. The assessment of the lightning dielectric strength of power equipment is generally based on tests performed using the standard lightning impulse voltage (1.2 / 50 µs waveshape), although the characteristics of the lightning overvoltages depend on many parameters and may vary widely. The behavior of insulators when subject to non-standard impulses depends both on the voltage amplitude and waveshape, and therefore a reliable model is required to produce the corresponding volt-time curves. Although there is no method universally accepted for this purpose, one of the most used is the Disruptive Effect (DE) model, which is based on the integration method concept. The application of this model involves the estimation of some parameters for which different procedures have been proposed in the literature, as for instance the procedures by Darveniza and Vlastos, by Hileman, by Chowdhuri et al., and by Ancajima et al. Tests of representative lightning overvoltages were performed to obtain the critical flashover overvoltages (CFO) and the volt-time curves of typical porcelain pin-type insulators considering three standard medium-voltage distribution classes (15 kV, 24 kV, and 36 kV) and five impulse voltage waveshapes, of both polarities. These tests provided data for the analyses of the insulators\' behavior and the results obtained using the different procedures for estimating the DE parameters. It is shown that in some cases insulator flashover is not predicted. A new method is then developed and proposed for evaluating the dielectric behavior of MV insulators. The method is validated using the typical insulators of the three voltage classes and the five lightning impulse voltages considered, of positive and negative polarities. The calculated volt-time curves showed in general a good agreement with the measured results for all the cases studied. The mean difference between the measured and calculated times to breakdown, for all the cases considered, was about 1.3 s; while the maximum difference was 4.0 s. The application of the proposed method to evaluate the occurrence of insulator flashovers in the shield wire line (SWL) system implemented in the State of Rondônia due to nearby lightning strikes supports previous conclusions that indicate that lightning has a significant impact on the SWL system performance in regions with high ground flash density. / Descargas atmosféricas produzem distúrbios transitórios significativos em sistemas de transmissão e distribuição, com consequentes danos em equipamentos, interrupções e redução geral na qualidade de energia elétrica. A avaliação da suportabilidade dielétrica frente às descargas atmosféricas do equipamento de potência é geralmente baseada em ensaios realizados usando o impulso atmosférico de tensão normalizada (forma de onda 1.2 / 50 µs), contudo as características das sobretensões atmosféricas dependem de muitos parâmetros e podem variar amplamente. O comportamento dos isoladores quando sujeitos a impulsos não normalizados depende tanto da magnitude como da forma de onda da tensão, e então um modelo confiável é necessário para se obter as curvas tensão-tempo correspondentes. Embora não haja um método universalmente aceito para essa finalidade, um dos mais utilizados é o modelo de Efeito Disruptivo (DE), que é baseado no conceito do método de integração. A aplicação desse modelo envolve a estimativa de alguns parâmetros para os quais diferentes procedimentos têm sido propostos na literatura, como por exemplo, os procedimentos de Darveniza e Vlastos, de Hileman, de Chowdhuri et al. e de Ancajima et al. Ensaios de sobretensões atmosféricas representativas foram feitos para obter as tensões de descarga disruptiva (CFO) e as curvas de tensão-tempo de isoladores de porcelana típicos, tipo pino, considerando três classes de tensão de distribuição de média tensão (15 kV, 24 kV e 36 kV) e cinco formas de onda de impulso de tensão, de ambas as polaridades. Estes ensaios proporcionaram dados para as análises do comportamento dos isoladores e os resultados obtidos usando os diferentes procedimentos para estimar os parâmetros necessários para a aplicação do modelo do Efeito Disruptivo. É mostrado que em alguns casos a disrupção no isolador não é prevista por tais procedimentos. Um novo método é, então, desenvolvido e proposto para avaliar o comportamento dielétrico dos isoladores de média tensão. O método é validado usando os isoladores típicos das três classes de tensão e as cinco formas de tensões de impulso atmosféricos consideradas, de polaridades positiva e negativa. As curvas tensão-tempo calculadas mostraram, em geral, boa concordância com os resultados medidos para todos os casos estudados. A diferença média entre os tempos de disrupção medidos e calculados, para todos os casos considerados, foi da ordem de 1,3 s; enquanto a máxima diferença foi de 4,0 s. A aplicação do método proposto para avaliar a ocorrência de disrupções em isoladores do Sistema de Cabo Para-raios Energizados (PRE), implementado no estado de Rondônia, devido a descargas atmosféricas indiretas, apoia as conclusões previamente obtidas que indicam que as descargas atmosféricas têm impacto significativo sobre o desempenho do sistema PRE em regiões com alta densidade de descargas para solo.