Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Energia. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

A tendência mundial de crescimento do consumo de energia elétrica requer novas unidades de geração para suprimento de demanda. Além disso, há preocupação na diversificação da matriz energética, e as fontes de energia nem sempre são de fácil acesso aos grandes centros de consumo, o que traz a problemática do transporte de energia elétrica. Sistemas em Corrente Alternada (CA) têm sido empregados na transmissão de energia há décadas, e atualmente os sistemas de transmissão em Corrente Contínua (CC) mostram-se uma opção vantajosa tanto na transmissão ponto a ponto por longas distâncias, quanto para múltiplos terminais, integrando diferentes fontes geradoras de energia. Os conhecidos sistemas de transmissão CC em alta tensão baseados em conversores comutados pela rede têm aplicações consolidadas ao redor do mundo, enquanto que, para a emergente tecnologia dos conversores comutados por largura de pulso (PWM), poucos estudos mostram seu desempenho frente transitórios na rede. A exposição do extenso perímetro das linhas de transmissão às condições geográficas e climatológicas motiva esta pesquisa perante a incidência de impulsos atmosféricos, tendo em vista que a maior parte dos estudos têm avaliado transitórios eletromagnéticos ocasionados por faltas. Para tanto, uma revisão bibliográfica sobre o tema de pesquisa é apresentada, com a descrição dos principais componentes de sistemas HVDC, a análise de sistemas VSC-HVDC, utilizando conversores dois níveis, frente transitórios eletromagnéticos provocados pela incidência direta de descargas atmosféricas tanto na rede CA quanto no elo CC, utilizando o software comercial PSCAD/EMTD para a simulação e modelagem dos para-raios de Óxido de Zinco (ZnO), linha de transmissão, conversores e atuação do controle. / The worlwide trend of growing electricity consumption requires new generation units to supply demand. In addition, there is concern in the diversification of the energy matrix, and energy sources are not always easily accessible to large consumption centers, which brings the problem of transportation of electric energy. Alternating Current (AC) systems have been used in power transmission for decades, and Direct Current (DC) transmission systems are now an advantageous option in both point-to-point transmission over long distances and across multiple terminals, integrating different sources of energy. Known High Voltage Direct Current (HVDC) transmission systems based on Line-Commutated Converter (LCC) have consolidated applications around the world, while for the emerging technology of Pulse Width Modulation (PWM) converters, few studies show their network transient performance. The exposition of the extensive perimeter of the transmission lines to the geographic and climatological conditions motivates this research considering the incidence of atmospheric impulses, and that the major part of the studies available have evaluated electromagnetic transients caused by faults. In this context, a literature review on the research topic is presented, with the description of the main components of HVDC systems, the analysis of VSC-based HVDC (VSC-HVDC) systems, using twolevel converters, electromagnetic transients caused by the direct incidence of atmospheric discharges in both the AC network, and in the CC link. The analysis uses the commercial software PSCAD/EMTD for the simulation and modeling of ZnO arresters, transmission line, converters and control actuation.

A tendência mundial de crescimento do consumo de energia elétrica requer novas unidades de geração para suprimento de demanda. Além disso, há preocupação na diversificação da matriz energética, e as fontes de energia nem sempre são de fácil acesso aos grandes centros de consumo, o que traz a problemática do transporte de energia elétrica. Sistemas em Corrente Alternada (CA) têm sido empregados na transmissão de energia há décadas, e atualmente os sistemas de transmissão em Corrente Contínua (CC) mostram-se uma opção vantajosa tanto na transmissão ponto a ponto por longas distâncias, quanto para múltiplos terminais, integrando diferentes fontes geradoras de energia. Os conhecidos sistemas de transmissão CC em alta tensão baseados em conversores comutados pela rede têm aplicações consolidadas ao redor do mundo, enquanto que, para a emergente tecnologia dos conversores comutados por largura de pulso (PWM), poucos estudos mostram seu desempenho frente transitórios na rede. A exposição do extenso perímetro das linhas de transmissão às condições geográficas e climatológicas motiva esta pesquisa perante a incidência de impulsos atmosféricos, tendo em vista que a maior parte dos estudos têm avaliado transitórios eletromagnéticos ocasionados por faltas. Para tanto, uma revisão bibliográfica sobre o tema de pesquisa é apresentada, com a descrição dos principais componentes de sistemas HVDC, a análise de sistemas VSC-HVDC, utilizando conversores dois níveis, frente transitórios eletromagnéticos provocados pela incidência direta de descargas atmosféricas tanto na rede CA quanto no elo CC, utilizando o software comercial PSCAD/EMTD para a simulação e modelagem dos para-raios de Óxido de Zinco (ZnO), linha de transmissão, conversores e atuação do controle. / The worlwide trend of growing electricity consumption requires new generation units to supply demand. In addition, there is concern in the diversification of the energy matrix, and energy sources are not always easily accessible to large consumption centers, which brings the problem of transportation of electric energy. Alternating Current (AC) systems have been used in power transmission for decades, and Direct Current (DC) transmission systems are now an advantageous option in both point-to-point transmission over long distances and across multiple terminals, integrating different sources of energy. Known High Voltage Direct Current (HVDC) transmission systems based on Line-Commutated Converter (LCC) have consolidated applications around the world, while for the emerging technology of Pulse Width Modulation (PWM) converters, few studies show their network transient performance. The exposition of the extensive perimeter of the transmission lines to the geographic and climatological conditions motivates this research considering the incidence of atmospheric impulses, and that the major part of the studies available have evaluated electromagnetic transients caused by faults. In this context, a literature review on the research topic is presented, with the description of the main components of HVDC systems, the analysis of VSC-based HVDC (VSC-HVDC) systems, using twolevel converters, electromagnetic transients caused by the direct incidence of atmospheric discharges in both the AC network, and in the CC link. The analysis uses the commercial software PSCAD/EMTD for the simulation and modeling of ZnO arresters, transmission line, converters and control actuation.

O espalhamento eletromagnético por uma esfera com propriedades ópticas e raio arbitrários, conhecido como espalhamento de Lorenz-Mie, ou por um cilindro circular infinito, pode ser resolvido analiticamente e é comumente tratado dentro da abordagem de espalhadores dielétricos. Na região óptica, tanto meio circundante quanto partícula espalhadora possuem o mesmo valor de permeabilidade magnética. A ausência do magnetismo nessa região do espectro torna o índice de refração relativo entre os meios interno e externo ao espalhador homogêneo equivalente ao respectivo índice de impedância óptica. Em regiões espectrais de micro-ondas ou radiofrequências, entretanto, materiais ferro- e ferrimagnéticos podem exibir valores absolutos de permeabilidade magnética extremamente elevados, reduzindo então a impedância óptica em comparação ao valor correspondente de índice de refração relativo. Uma característica marcante vinculada ao magnetismo no centro espalhador é que pequenas partículas comparadas com o comprimento de onda (parâmetros de tamanho na região de Rayleigh) podem apresentar grandes seções de choque de extinção a despeito de suas pequenas seções de choque geométricas. Isso torna possível, fisicamente, a presença de picos de ressonância morfológica na energia eletromagnética interna ao centro espalhador mesmo na região de parâmetros de tamanho inferiores à unidade. Em especial, mostramos que essa energia eletromagnética possui, no regime de fraca absorção, uma relação funcional simples com o comprimento de onda incidente e a seção de choque de absorção da partícula espalhadora, independentemente do formato geométrico da mesma. No espalhamento por uma coleção de partículas magnéticas, a velocidade de transporte de energia pode ser estimada a partir da energia eletromagnética média que é armazenada no interior de um centro espalhador isolado. Dessa maneira, a validade da relação universal que encontramos entre o fator de aumento da energia eletromagnética interna ao centro espalhador e sua correspondente seção de choque de absorção (no regime de baixa absorção óptica) implica na possibilidade de estimarmos de maneira simples a velocidade de transporte de energia em um meio desordenado. Um resultado decorrente dessa aproximação é que mesmo na região de Rayleigh a velocidade de transporte de energia em um meio magnético desordenado é drasticamente reduzida, levando, por conseguinte, à redução do coeficiente de difusividade dos fótons no meio. O estudo analítico e numérico da energia eletromagnética armazenada por uma esfera e por um cilindro magnéticos irradiados por ondas planas homogêneas são os temas em foco nesta dissertação de Mestrado. / Electromagnetic scattering by a sphere with arbitrary optical properties and radius, known as the Lorenz-Mie scattering, or by an infinite right circular cylinder can be solved analytically and is widely treated in the approach of dielectric scatterers. In the optical range, both embedding medium and scattering particle have the same magnetic permeability. The absence of magnetism in this spectral range leads to the equivalence between the relative refraction and impedance indices associated with the scatterers. However, in microwave or radio-frequency ranges, ferro- and ferrimagnetic materials can exhibit extremely huge values of magnetic permeability, which reduce the optical impedance in comparison to the corresponding value of relative refraction index. One striking feature associated with the magnetism in the scatterer is that particles smaller than the wavelength (Rayleigh size region) can present large extinction cross sections in despite of their small geometric cross sections. This becomes physically possible the presence of morphology-dependent resonances in the electromagnetic energy within the scatterer even in size parameters region smaller than unity. In particular, we show that this time-averaged electromagnetic energy has, in the weak absorption regime, a simple functional relation with the incident wavelength and the scatterer absorption cross section which does not depend on the shape of the scatterer. In the multiple scattering regime, the energy-transport velocity can be estimated from the time-averaged electromagnetic energy stored in a single scatterer. Thereby, the validity of the universal relation between the internal energy-enhancement factor and the absorption cross section respective to an arbitrary scattering center (in the weak absorption regime) implies that the energy-transport velocity in disordered media can be evaluated in a simple way. From this approximation, we obtain that even in the Rayleigh size region the energy-transport velocity in disordered magnetic media is dramatically reduced, which consequently leads to a reduction of the diffusion coefficient of the photons. The analytical and numerical studies of the time-averaged electromagnetic energy within magnetic isotropic spheres and cylinders irradiated by plane waves are our aim in this Master\'s degree dissertation.

O espalhamento eletromagnético por uma esfera com propriedades ópticas e raio arbitrários, conhecido como espalhamento de Lorenz-Mie, ou por um cilindro circular infinito, pode ser resolvido analiticamente e é comumente tratado dentro da abordagem de espalhadores dielétricos. Na região óptica, tanto meio circundante quanto partícula espalhadora possuem o mesmo valor de permeabilidade magnética. A ausência do magnetismo nessa região do espectro torna o índice de refração relativo entre os meios interno e externo ao espalhador homogêneo equivalente ao respectivo índice de impedância óptica. Em regiões espectrais de micro-ondas ou radiofrequências, entretanto, materiais ferro- e ferrimagnéticos podem exibir valores absolutos de permeabilidade magnética extremamente elevados, reduzindo então a impedância óptica em comparação ao valor correspondente de índice de refração relativo. Uma característica marcante vinculada ao magnetismo no centro espalhador é que pequenas partículas comparadas com o comprimento de onda (parâmetros de tamanho na região de Rayleigh) podem apresentar grandes seções de choque de extinção a despeito de suas pequenas seções de choque geométricas. Isso torna possível, fisicamente, a presença de picos de ressonância morfológica na energia eletromagnética interna ao centro espalhador mesmo na região de parâmetros de tamanho inferiores à unidade. Em especial, mostramos que essa energia eletromagnética possui, no regime de fraca absorção, uma relação funcional simples com o comprimento de onda incidente e a seção de choque de absorção da partícula espalhadora, independentemente do formato geométrico da mesma. No espalhamento por uma coleção de partículas magnéticas, a velocidade de transporte de energia pode ser estimada a partir da energia eletromagnética média que é armazenada no interior de um centro espalhador isolado. Dessa maneira, a validade da relação universal que encontramos entre o fator de aumento da energia eletromagnética interna ao centro espalhador e sua correspondente seção de choque de absorção (no regime de baixa absorção óptica) implica na possibilidade de estimarmos de maneira simples a velocidade de transporte de energia em um meio desordenado. Um resultado decorrente dessa aproximação é que mesmo na região de Rayleigh a velocidade de transporte de energia em um meio magnético desordenado é drasticamente reduzida, levando, por conseguinte, à redução do coeficiente de difusividade dos fótons no meio. O estudo analítico e numérico da energia eletromagnética armazenada por uma esfera e por um cilindro magnéticos irradiados por ondas planas homogêneas são os temas em foco nesta dissertação de Mestrado. / Electromagnetic scattering by a sphere with arbitrary optical properties and radius, known as the Lorenz-Mie scattering, or by an infinite right circular cylinder can be solved analytically and is widely treated in the approach of dielectric scatterers. In the optical range, both embedding medium and scattering particle have the same magnetic permeability. The absence of magnetism in this spectral range leads to the equivalence between the relative refraction and impedance indices associated with the scatterers. However, in microwave or radio-frequency ranges, ferro- and ferrimagnetic materials can exhibit extremely huge values of magnetic permeability, which reduce the optical impedance in comparison to the corresponding value of relative refraction index. One striking feature associated with the magnetism in the scatterer is that particles smaller than the wavelength (Rayleigh size region) can present large extinction cross sections in despite of their small geometric cross sections. This becomes physically possible the presence of morphology-dependent resonances in the electromagnetic energy within the scatterer even in size parameters region smaller than unity. In particular, we show that this time-averaged electromagnetic energy has, in the weak absorption regime, a simple functional relation with the incident wavelength and the scatterer absorption cross section which does not depend on the shape of the scatterer. In the multiple scattering regime, the energy-transport velocity can be estimated from the time-averaged electromagnetic energy stored in a single scatterer. Thereby, the validity of the universal relation between the internal energy-enhancement factor and the absorption cross section respective to an arbitrary scattering center (in the weak absorption regime) implies that the energy-transport velocity in disordered media can be evaluated in a simple way. From this approximation, we obtain that even in the Rayleigh size region the energy-transport velocity in disordered magnetic media is dramatically reduced, which consequently leads to a reduction of the diffusion coefficient of the photons. The analytical and numerical studies of the time-averaged electromagnetic energy within magnetic isotropic spheres and cylinders irradiated by plane waves are our aim in this Master\'s degree dissertation.