Submitted by Kelren Mota (kelrenlima@ufpa.br) on 2018-06-14T16:35:39Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ControleFrequenciaGeracao.pdf: 2552507 bytes, checksum: 1a4dff3dea45775db68854441e3f994c (MD5) / Approved for entry into archive by Kelren Mota (kelrenlima@ufpa.br) on 2018-06-14T16:36:09Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ControleFrequenciaGeracao.pdf: 2552507 bytes, checksum: 1a4dff3dea45775db68854441e3f994c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-14T16:36:09Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ControleFrequenciaGeracao.pdf: 2552507 bytes, checksum: 1a4dff3dea45775db68854441e3f994c (MD5) Previous issue date: 2018-01-30 / A integração em larga escala de fontes intermitentes de energias renováveis, como os sistemas fotovoltaicos, nos sistemas elétricos de potência gera novas questões técnicas, uma vez que tais fontes normalmente não participam na regulação da frequência devido não apresentarem inércia de rotação. A rápida variação da frequência existente em redes com grande integração de geração renovável ocasiona assim uma maior dificuldade na manutenção da estabilidade de frequência, pois diferentemente dos sistemas convencionais (por exemplo os Hídricos e Térmicos), onde a inércia dos geradores é suficientemente alta, para a maioria desses novos sistemas isso não é válido. Nesse contexto, na presente dissertação será proposta a utilização do conceito de “inércia virtual”, que corresponde a uma combinação de algoritmos de controle, dispositivos de armazenamento de energia elétrica e eletrônica de potência aplicada às fontes renováveis, como as fotovoltaicas, conectadas às redes de energia através de inversores, a qual emula a inércia de um sistema de geração convencional. Será apresentado ainda um modelo baseado em uma análise a pequeno sinal linearizado, desenvolvido para avaliar a estabilidade de um circuito de controle de potência quando o gerador fotovoltaico fornecer resposta em frequência, além da resposta inercial emulada com sistemas fotovoltaicos por meio de técnicas baseadas no controlador MPPT no Método de Deslocamento e da estratégia de controle Droop no domínio do tempo. Esta modelagem é testada em um sistema de energia elétrica composto por máquinas síncronas e uma planta de geração de energia fotovoltaica em larga escala para a análise dos efeitos do sistema de controle em relação à estabilidade de frequência. As simulações realizadas com o auxílio do software MATLAB/Simulink, consideram diferentes constantes de inércia para uma condição de variação (queda) na frequência elétrica, ocasionada pela inserção de cargas no sistema elétrico. Resultados comparativos indicam que é maior o impacto da geração fotovoltaica na estabilidade do sistema de energia quando a energia fornecida pelo gerador da planta convencional é menor. Resultados também comprovam que quando o sistema fotovoltaico está fornecendo energia para a rede elétrica, a frequência do mesmo decai afetando a estabilidade e operação do sistema de potência através da degradação da dinâmica de frequência. / The large-scale integration of intermittent sources of renewable energies, such as photovoltaic systems, into electrical power systems generates new technical issues, since such sources do not participate in frequency regulation because they do not exhibit inertia of rotation. The rapid frequency variation, normally found in networks with a high degree of integration of renewable generation, therefore causes greater difficulty in maintaining frequency stability, unlike conventional systems (for example Hydro and Thermal), where the inertia of the generators is sufficiently high , for most of these new systems this is not valid. In this context, the present dissertation will propose the use of the concept of "virtual inertia", which corresponds to a combination of control algorithms, electrical energy storage devices and power electronics applied to renewable sources, such as photovoltaics, connected to networks of power through inverters, which emulates the inertia of a conventional generation system. It will be presented a model based on a small linearized signal analysis, developed to evaluate the stability of a power control circuit when the photovoltaic generator provides frequency response and the inertial response emulated with photovoltaic systems by means of techniques based on the MPPT controller in the Displacement Method and the Droop control strategy in the time domain. This modeling is tested in an electric power system composed of synchronous machines and a large-scale photovoltaic power generation plant for the analysis of the effects of the control system in relation to frequency stability. The simulations performed with MATLAB/Simulink software consider different inertia constants for a condition of variation (decrease) in the electric frequency, caused by the insertion of loads in the electric system. Comparative results indicate that the impact of photovoltaic generation on the stability of the power system is greater when the power supplied by the conventional plant generator is lower. Results also prove that when the photovoltaic system is supplying power to the grid, its frequency decreases, affecting the stability and operation of the power system through the degradation of the frequency dynamics.

Le développement durable et les énergies renouvelables suscitent aujourd'hui l'intérêt de plusieurs équipes de recherches. Le développement des éoliennes représente un grand investissement dans le domaine de la recherche technologique. Ces machines qui produisent de l'énergie électrique à partir du vent peuvent constituer une alternative technologique et économique aux différentes sources d'énergies épuisables. D'ailleurs, la croissance de l'industrie éolienne mondiale est de l'ordre de 30% par an depuis le début des années 2000. De nombreux travaux de recherche sur le contrôle et la commande d'éoliennes ont été menés. Grâce à ces travaux, les dernières générations d'éoliennes fonctionnent avec une vitesse variable et disposent d'une régulation pitch. Il est ainsi possible de modifier la vitesse de rotation et l'angle de calage de chacune des pales, permettant alors d'améliorer la production de l'aérogénérateur. Néanmoins, il reste encore à introduire plus d'intelligence dans le fonctionnement des aérogénérateurs. L'objectif principal de nos travaux de thèse est d'étudier les techniques de commande robuste, de la génératrice, susceptibles d'optimiser la production d'une éolienne, en particulier celle utilisant une génératrice asynchrone double alimentation. Par optimisation, nous entendons non seulement améliorer la qualité de l'énergie produite et le rendement énergétique mais aussi diminuer les charges mécaniques de fatigue ; ce qui aurait pour conséquence de rendre possible la fabrication d'aéroturbines plus légères améliorant de ce fait la productivité. La ou les techniques de commande doivent donc tenir compte du comportement de l'éolienne dans son ensemble. Pour ce faire, nous avons exploré l'apport des modes glissants classiques puis d'ordre supérieur pour répondre au cahier des charges fixé. Les techniques de commandes proposées ont été testées sur le simulateur FAST élaboré par le laboratoire Américain NREL (National Renewable Energy Laboratory). Des essais expérimentaux effectués au laboratoire Grenoblois G2Elab sur un banc de 7.5 kW ont permis la validation des techniques proposées. Elles restent cependant perfectibles ouvrant ainsi la voie à d'intéressantes perspectives.

This thesis presents a distributed power-management architecture for concentrating photovoltaic (CPV) systems. Specifically, the Δ-conversion scheme with voltage equalization is analyzed and verified for the CPV system from Morgan Solar, Inc. This architecture uses inverting buck-boost converters, denoted Δ-converters, which equalize the voltages of neighbouring CPV cells in a series-connected string of cells and improve the systems tolerance to parameter variations. The power benefits of Δ-conversion and the Δ-converter current distributions are investigated using statistical simulations. The effectiveness of Δ-conversion in the presence of randomly distributed mismatches is demonstrated, and current cascading is identified as the main design challenge. The Δ-converter is modelled and compensated using Middlebrook's Extra Element Theorem. Analysis of measured data from a six-cell CPV system demonstrate the benefits of Δ-conversion under realistic scenarios. Experimental results from prototype systems show up to 31% power benefits in the presence of mismatches.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η ανάλυση και ο έλεγχος ενός φ/β συστήματος διασυνδεδεμένου στο δίκτυο, με στόχο να παρέχει μονίμως την μέγιστη ισχύ του και η άεργος ισχύς που εγχέεται στο δίκτυο να μηδενίζεται. Το φ/β σύστημα αποτελείται από μια φ/β συστοιχία, έναν πυκνωτή και έναν DC/AC αντιστροφέα (με το κύκλωμα ελέγχου του) με τον οποίο συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός RL φίλτρου. Στο κύκλωμα ελέγχου περιλαμβάνεται ο έλεγχος για την ανίχνευση του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT ελεγκτής) καθώς και όλοι οι PI ελεγκτές που είναι απαραίτητοι τόσο για τον έλεγχο της dc τάσης όσο και για τον έλεγχο της αέργου ισχύος. Το σύστημα προσομοιώνεται στο περιβάλλον Simulink του Matlab υπό μεταβαλλόμενη ηλιακή ακτινοβολία. Αρχικά, για τον MPPT έλεγχο εφαρμόζεται η κλασική Perturb & Observe τεχνική και στη συνέχεια προτείνεται και εφαρμόζεται μια βελτιωμένη εκδοχή της, η οποία αποδεικνύεται ότι έχει μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα. / The main subject of this diploma thesis is the analysis and the control of a grid connected Photovoltaic system, in order that it can permanently provide the maximum power and the reactive power injected to the grid could be reduced to zero as well. The P/V system consists of a P/v array, a capacitor and a DC/AC inverter (and the whole control circuit) which is connected to the grid through an RL filter. The control circuit includes the control for the detection (tracking) of the maximum power point (MPPT controller) and all the PI controllers that are necessary in order to control both the dc voltage and the reactive power. The system is simulated by the Simulink in Matlab under changing solar irradiation. Initially, for the MPPT control the classical Perturb & Observe technique is implemented and then an improved version of this technique is proposed and implemented, since it is proved to be much more efficient.

This thesis presents a parallel-series two-bridge DC/DC converter topology with the ability to operate with ZVS over a wide input and load range. The intended application is power conditioning systems (PCS) of photovoltaic (PV) arrays used in hybrid renewable energy system architectures. The proposed topology provides two degrees of freedom which allows the PV-PCS to regulate the DC-link voltage, while tracking the maximum power point (MPP) of the PV array. This topology distributes the main power into two bridges and the phase-shift between the two bridges and provides another degree of freedom for the PCS to track the MPP. The proposed topology is also able to achieve soft-switching over a wide range. The power conditioning system shows a modular structure to efficiently transfer the power to the load as the main power is divided between two bridges. In addition, the proposed control scheme provides complete decoupling between the input side controller from the output side controller in order to perform MPPT and regulate the the DC-link voltage simultaneously. A 2kW Experimental prototype has been provided to validate the feasibility and performance of the converter. Experimental results prove that the converter is able to regulate the DC-link voltage and track the maximum power extracted from the PV array simultaneously. / Thesis (Master, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2012-04-18 19:51:43.405

La connexion entre un générateur photovoltaïque (GPV) et une charge de type continu reste encore un sujet d'étude. L'adaptation d'impédance entre un générateur PV et une charge de type continu est un problème technologique que signifie essentiellement le transfert du maximum de puissance du générateur PV à la charge. La littérature propose une grande quantité de solutions sur l'algorithme de contrôle effectuant une recherche de PPM lorsque le GPV et la charge sont connectés à travers un convertisseur statique. Le problème est abordé dans sa globalité dans cette thèse par une approche systémique du point de vue architecture de conversion et mode de commande associée visant des rendements, fiabilités et flexibilités élevés. Deux voies de recherches ont été menées sur les étages d'adaptation selon d'une part, le concept de transformateur DC et d'autre part, celui de girateur DC. Le premier correspond à une modélisation classique des fonctions basiques idéalisées d'un convertisseur DC/DC en régime établi. Le second correspond au comportement en régime établi d'un girateur de puissance. Concernant les girateurs de puissance, comme ces structures sont peu connues dans le domaine de la conversion de puissance, nous avons mis au point une méthodologie pour la conception et la classification des différents types de girateurs de puissance existants. Dans les deux cas, la réalisation d'étages d'adaptation pour GPV a été menée à travers plusieurs structures simples de convertisseurs statiques pour valider les performances réelles de chacun et en préciser l'utilisation la plus appropriée.

L'autonomie énergétique des systèmes embarqués est un frein majeur au développement de l'intelligence ambiante et de l'internet des objets. Cette thèse présente un système générique de gestion de micro-puissance capable d'alimenter un nœud de réseau de capteurs autonomes et communicant sans fil (WSN). L'architecture proposée est basée sur un convertisseur DC/DC abaisseur simple inductance multi-entrées multi-sorties (SI MIMO) associé à un circuit de recherche du point de puissance maximal (MPPT) très basse consommation. Nous montrons dans ce travail que cette famille de convertisseurs permet d'hybrider efficacement plusieurs sources et plusieurs éléments de stockage pour fournir les tensions régulées nécessaires à l'alimentation électrique d'un nœud de WSN. Pour ce faire, et dans le cadre du projet PCB², nous avons réalisé un convertisseur SI MIMO à base de composants discrets ultra basse consommation sur carte PCB. Ce convertisseur interface un récupérateur piézoélectrique, une cellule photovoltaïque et une batterie fine au LIPON (Lithium Phosphorous Oxynitride) enterrée dans le circuit imprimé, pour alimenter un capteur de température enregistreur. Le développement de modèles pour chacun de ces dispositifs et leur implémentation dans un environnement de simulation système en VHDL-AMS a permis, dans un premier temps, de valider le concept présenté, puis, a guidé le travail de conception et d'optimisation du circuit du démonstrateur. Le rendement ainsi obtenu avoisine 55% dans les conditions normales d'utilisation et tend vers 70% lorsque le niveau de puissance qui transite dans le convertisseur dépasse 500 µW.

Le projet SACER vise à répondre aux demandes d'Airbus qui ont besoin de disposer de données décrivant le comportement d'un avion ou d'un satellite avant commercialisation ou lancement. Pour mieux répondre à cette demande, un réseau de capteurs sans fil remplacerait les équipements de test filaires existants. Le but est d'apporter des avantages tels qu'une réduction de poids, de coût et de connectique. Pour notre part, nous n'avons travaillé que sur l'application aéronautique. Pour alimenter les capteurs autonomes sans fil embarqués, dans le cadre de cette thèse, il faut concevoir une architecture de récupération d'énergie, un système de stockage de l'énergie ainsi que un circuit de gestion de ces énergies. La principale contrainte pour le système est qu'il doit pouvoir fonctionner de -50C à 100°C, tout en délivrant une puissance de sortie de 3 watts. De plus, l'épaisseur du système doit être inférieure à 3,2 mm. Pour notre travail, nous avons cherché, dans un premier temps, la meilleure solution possible sur le choix du type de cellules solaires. Le résultat sur les tests des cellules à différentes températures et irradiations dans les conditions de notre application est présenté. Dans un second temps, nous avons testé plusieurs types de systèmes de stockage d'énergie aux températures extrêmes. Enfin, la conception de l'architecture pour la gestion de l'énergie (vue d'ensemble des panneaux photovoltaïques, d'un circuit MPPT, des super condensateurs, et d'un régulateur) est présentée.

This thesis presents a distributed power-management architecture for concentrating photovoltaic (CPV) systems. Specifically, the Δ-conversion scheme with voltage equalization is analyzed and verified for the CPV system from Morgan Solar, Inc. This architecture uses inverting buck-boost converters, denoted Δ-converters, which equalize the voltages of neighbouring CPV cells in a series-connected string of cells and improve the systems tolerance to parameter variations. The power benefits of Δ-conversion and the Δ-converter current distributions are investigated using statistical simulations. The effectiveness of Δ-conversion in the presence of randomly distributed mismatches is demonstrated, and current cascading is identified as the main design challenge. The Δ-converter is modelled and compensated using Middlebrook's Extra Element Theorem. Analysis of measured data from a six-cell CPV system demonstrate the benefits of Δ-conversion under realistic scenarios. Experimental results from prototype systems show up to 31% power benefits in the presence of mismatches.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / A necessidade de obter uma matriz energÃtica menos poluente e em harmonia com o meio ambiente à um tÃpico muito importante no sÃculo XXI. Este trabalho apresenta um conversor cc-ca de dois estÃgios para injetar a energia de um arranjo de painÃis fotovoltaicos à rede elÃtrica. O primeiro estÃgio à um conversor elevador, isolado, baseado na CÃlula de ComutaÃÃo de TrÃs Estados (CCTE), responsÃvel por elevar a tensÃo dos painÃis fotovoltaicos de 48 Vcc para 400 Vcc e de extrair a mÃxima potÃncia disponÃvel deles. O segundo estÃgio consiste em um conversor monofÃsico cc-ca, ponte completa, responsÃvel por injetar a energia na rede elÃtrica de baixa tensÃo (220 Vca, 60 Hz). SÃo apresentados estudos teÃricos e exemplos de projeto dos circuitos de potÃncia e controle para ambos os estÃgios e, com o objetivo de validar a anÃlise, sÃo apresentados resultados de simulaÃÃo computacional, complementados com resultados experimentais, correspondentes a um protÃtipo de laboratÃrio de 850 W. O rendimento global obtido experimentalmente à aproximadamente 86,5% enquanto que a distorÃÃo harmÃnica total da corrente entregue à rede elÃtrica obtida via simulaÃÃo computacional à 3,8% a plena carga. / In the 21st century, the need of a more clean and environment friendly power matrix has become a very important issue. Therefore this work presents a two stage cc-ac converter for connecting a photovoltaic array to the electrical grid. The 1st stage itâs an isolated boost converter, based in the Three Stage Switching Cell (TSSC), in charge of boosting the photovoltaic array voltage from 48 Vcc to 400 Vcc and to track its maximum power point. The 2nd stage is a single-phase cc-ac Full-Bridge converter responsible of injecting the photovoltaic power into the low voltage power grid (220 Vac, 60 Hz). Both, theoretical analysis and designs examples of power and control circuits are presented for the two stages and, in order to validate the analysis, simulation results complemented with experimental results from an 850 W laboratory prototype are presented. The overall efficiency obtained from the prototype was 86.5% while the total harmonic distortion of the current obtained via simulation was 3.8% at full load.