Due to increasing penetration of solar power generation, distribution grids are facing a number of challenges. Frequent reverse active power flows can result in rapid fluctuations in voltage magnitudes. However, with the revised IEEE 1547 standard, smart inverters can actively control their reactive power injection to minimize voltage deviations and power losses in the grid. Reactive power control and globally optimal inverter coordination in real-time is computationally and communication-wise demanding, whereas the local Volt-VAR or Watt-VAR control rules are subpar for enhanced grid services. This thesis uses machine learning tools and poses reactive power control as a kernel-based regression task to learn policies and evaluate the reactive power injections in real-time. This novel approach performs inverter coordination through non-linear control policies centrally designed by the operator on a slower timescale using anticipated scenarios for load and generation. In real-time, the inverters feed locally and/or globally collected grid data to the customized control rules. The developed models are highly adjustable to the available computation and communication resources. The developed control scheme is tested on the IEEE 123-bus system and is seen to efficiently minimize losses and regulate voltage within the permissible limits. / Master of Science / The increasing integration of solar photovoltaic (PV) systems poses both opportunities and technical challenges for the electrical distribution grid. Although PV systems provide more power to the grid but, can also lead to problems in the operation of the grid like overvoltages and voltage fluctuations. These variations can lead to overheating and burning of electrical devices and equipment malfunction. Since the solar generation is highly dependent on weather and geographical location, they are uncertain in their output. The uncertainity in the solar irradiance can not be handled with the existing voltage control devices as they need to operate more frequently than usual which can cause recurring maintenance needs for these devices. Thus, to make solar PV more flexible and grid-friendly, smart inverters are being developed. Smart inverters have the capability of advanced sensing, communication, and controllability which can be utilized for voltage control. The research discusses how the inverters can be used to improve the grid profile by providing reactive power support to reduce the power losses and maintain voltages in their limits for a safer operation.

Este trabalho apresenta um modelo linearizado para ser utilizado em problemas de planejamento da expansão de sistemas de distribuição de energia elétrica (SDEE) com geração distribuída (GD), em um horizonte de curto prazo. O ponto de operação em regime permanente é calculado através de um modelo linearizado da rede, sendo as cargas e geradores representados por injeções constantes de corrente, o que torna possível calcular as correntes nos ramos e as tensões nas barras através de expressões lineares. As alternativas de expansão consideradas são: (i) alocação de bancos de capacitores; (ii) alocação de reguladores de tensão; e (iii) recondutoramento. Ainda, o modelo considera a possibilidade de seleção do tap dos transformadores de distribuição como alternativa para a redução das violações de tensão. A flexibilidade do modelo permite obter soluções considerando a contribuição das GDs no controle de tensão e potência reativa sem a necessidade de especificar uma tensão para a barra da subestação. O modelo de otimização proposto para a solução destes problemas utiliza uma função objetivo linear, além de restrições lineares e variáveis contínuas e binárias. Dessa forma, o modelo de otimização pode ser representado como um problema de programação linear inteira mista (PLIM) A função objetivo considera a minimização dos custos de investimento (aquisição, instalação e remoção de equipamentos e aquisição de condutores) e dos custos de operação, que correspondem aos custos anuais de manutenção somados aos custos das perdas de energia e das violações dos limites de tensão. A variação da carga é representada através de curvas de duração, sendo que os custos das perdas e das violações são ponderados pela duração de cada nível de carregamento. Utilizando uma abordagem de PLIM, sabe-se que existem condições suficientes que garantem a otimalidade de uma dada solução factível, além de permitir que a solução seja obtida através de métodos de otimização clássica. O modelo proposto foi implementado na linguagem de programação OPL e resolvido utilizando o solver comercial CPLEX. O modelo foi validado através da comparação dos resultados obtidos para cinco sistemas de distribuição com os resultados obtidos utilizando um fluxo de carga convencional. Os casos analisados e os resultados obtidos demonstram a precisão do modelo proposto e seu potencial de aplicação. / This work presents a linearized model to be used in short-term expansion planning problems of power distribution systems (PDS) with distributed generation (DG). The steady state operation point is calculated through a linearized model of the network, being the loads and generators modeled as constant current injections, which makes it possible to calculate the branch currents and bus voltages through linear expressions. The alternatives considered for expansion are: (i) capacitor banks placement; (ii) voltage regulators placement; and (iii) reconductoring. Furthermore, the model considers the possibility of adjusting the taps of the distribution transformers as an alternative to reduce voltage violations. The flexibility of the model enables solutions that includes the contribution of DGs in the control of voltage and reactive power without the need to specify the substation voltage. The optimization model proposed to solve these problems uses a linear objective function, along with linear constraints, binary and continuous variables. Thus, the optimization model can be represented as a mixed integer linear programming problem (MILP) The objective function considers the minimization of the investment costs (acquisition, installation and removal of equipment and acquisition of conductors) and the operation costs, which corresponds to the annual maintenance cost plus the costs related to energy losses and violation of voltage limits. The load variation is represented by discrete load duration curves and the costs of losses and voltage violations are weighted by the duration of each load level. Using a MILP approach, it is known that there are sufficient conditions that guarantee the optimality of a given feasible solution, besides allowing the solution to be obtained by classical optimization methods. The proposed model was written in the programming language OPL and solved by the commercial solver CPLEX. The model was validated through the comparison of the results obtained for five distribution systems with the results obtained through conventional load flow. The analyzed cases and the obtained results show the accuracy of the proposed model and its potential for application.

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

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rubens Hock.pdf: 9150198 bytes, checksum: dc75d13b884c75e842633257c0db27e6 (MD5) Previous issue date: 2015-02-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This paper presents a mobile voltage regulator based in a Distribution Static Synchronous Compensator (DSTATCOM) applied to low voltage distribution grids. The DSTATCOM consists in a three-phase four-wire inverter connected to the grid through a second order low pass filter. The control structure is composed of three output voltage loops with active damping and the two dc bus loops. In addition, a new concept of Minimum Power Point Tracking (mPPT) is introduced, forcing the DSTATCOM to operate with the minimum power. In certain conditions, this means no compensation. The dynamic models of the converter are presented, as well as the control design. Simulation results show the capacity of voltage regulation and the features of the mPPT, even under grid and load unbalances and nonlinear loads. This work is concluded with the construction of a 30 kVA prototype and validation through experimental results proves the proper functioning of the voltage regulator. / Esse trabalho apresenta um regulador de tensão móvel baseado em um compensador estático de reativos (DSTATCOM) aplicado a redes de distribuição de baixa tensão. O DSTATCOM consiste em um inversor trifásico a quatro fios conectado à rede através de um filtro de segunda ordem. A estrutura de controle é composta por três malhas de tensão de saída com amortecimento ativo e duas malhas de tensão do barramento cc. Em adição, um novo conceito de rastreamento da mínima potência (mPPT) é introduzido, forçando o DSTATCOM a operar com a mínima potência. Em certas ocasiões, isso significa nenhuma compensação. Os modelos dinâmicos do conversor são apresentados, assim como o projeto de controle. Resultados de simulação mostram a capacidade de regulação da tensão e as características do mPPT, mesmo com desequilíbrios na rede e/ou na carga e com cargas não lineares. O trabalho é concluído com a construção de um protótipo de 30 kVA e validação dos estudos através de resultados experimentais obtidos comprovam o bom funcionamento do regulador de tensão.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jean Carlo da Cunha.pdf: 16855564 bytes, checksum: 337fd862ee9c2affb80cdde33c7439e5 (MD5) Previous issue date: 2015-08-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um esquema de controle de um Compensador Estático para rede de Distribuição (DSTATCOM), utilizado para regular a magnitude da tensão no ponto de acoplamento de carga (PAC) e também possui a função de eliminar harmônicas de tensão através da detecção da tensão no PAC. A regulação da magnitude da tensão é efetuada através da injeção de corrente em quadratura no PAC e a mitiga ção de harmônicas é efetuada através da leitura da tensão do PAC e geração de correntes harmônicas capazes de compensar as distorções na tensão do PAC, sem a necessidade da leitura de corrente da rede ou da carga. O regulador é implementado através de um conversor VSI trifásico à quatro os conectado em paralelo com a rede de distribuição. A potência ativa drenada pelo conversor é somente para suprir suas perdas e controlar a tensão do barramento CC. Este trabalho possui resultados de simulação para o sistema completo bem como resultados experimentais.

Este trabalho apresenta um modelo linearizado para ser utilizado em problemas de planejamento da expansão de sistemas de distribuição de energia elétrica (SDEE) com geração distribuída (GD), em um horizonte de curto prazo. O ponto de operação em regime permanente é calculado através de um modelo linearizado da rede, sendo as cargas e geradores representados por injeções constantes de corrente, o que torna possível calcular as correntes nos ramos e as tensões nas barras através de expressões lineares. As alternativas de expansão consideradas são: (i) alocação de bancos de capacitores; (ii) alocação de reguladores de tensão; e (iii) recondutoramento. Ainda, o modelo considera a possibilidade de seleção do tap dos transformadores de distribuição como alternativa para a redução das violações de tensão. A flexibilidade do modelo permite obter soluções considerando a contribuição das GDs no controle de tensão e potência reativa sem a necessidade de especificar uma tensão para a barra da subestação. O modelo de otimização proposto para a solução destes problemas utiliza uma função objetivo linear, além de restrições lineares e variáveis contínuas e binárias. Dessa forma, o modelo de otimização pode ser representado como um problema de programação linear inteira mista (PLIM) A função objetivo considera a minimização dos custos de investimento (aquisição, instalação e remoção de equipamentos e aquisição de condutores) e dos custos de operação, que correspondem aos custos anuais de manutenção somados aos custos das perdas de energia e das violações dos limites de tensão. A variação da carga é representada através de curvas de duração, sendo que os custos das perdas e das violações são ponderados pela duração de cada nível de carregamento. Utilizando uma abordagem de PLIM, sabe-se que existem condições suficientes que garantem a otimalidade de uma dada solução factível, além de permitir que a solução seja obtida através de métodos de otimização clássica. O modelo proposto foi implementado na linguagem de programação OPL e resolvido utilizando o solver comercial CPLEX. O modelo foi validado através da comparação dos resultados obtidos para cinco sistemas de distribuição com os resultados obtidos utilizando um fluxo de carga convencional. Os casos analisados e os resultados obtidos demonstram a precisão do modelo proposto e seu potencial de aplicação. / This work presents a linearized model to be used in short-term expansion planning problems of power distribution systems (PDS) with distributed generation (DG). The steady state operation point is calculated through a linearized model of the network, being the loads and generators modeled as constant current injections, which makes it possible to calculate the branch currents and bus voltages through linear expressions. The alternatives considered for expansion are: (i) capacitor banks placement; (ii) voltage regulators placement; and (iii) reconductoring. Furthermore, the model considers the possibility of adjusting the taps of the distribution transformers as an alternative to reduce voltage violations. The flexibility of the model enables solutions that includes the contribution of DGs in the control of voltage and reactive power without the need to specify the substation voltage. The optimization model proposed to solve these problems uses a linear objective function, along with linear constraints, binary and continuous variables. Thus, the optimization model can be represented as a mixed integer linear programming problem (MILP) The objective function considers the minimization of the investment costs (acquisition, installation and removal of equipment and acquisition of conductors) and the operation costs, which corresponds to the annual maintenance cost plus the costs related to energy losses and violation of voltage limits. The load variation is represented by discrete load duration curves and the costs of losses and voltage violations are weighted by the duration of each load level. Using a MILP approach, it is known that there are sufficient conditions that guarantee the optimality of a given feasible solution, besides allowing the solution to be obtained by classical optimization methods. The proposed model was written in the programming language OPL and solved by the commercial solver CPLEX. The model was validated through the comparison of the results obtained for five distribution systems with the results obtained through conventional load flow. The analyzed cases and the obtained results show the accuracy of the proposed model and its potential for application.

Este trabalho apresenta um modelo linearizado para ser utilizado em problemas de planejamento da expansão de sistemas de distribuição de energia elétrica (SDEE) com geração distribuída (GD), em um horizonte de curto prazo. O ponto de operação em regime permanente é calculado através de um modelo linearizado da rede, sendo as cargas e geradores representados por injeções constantes de corrente, o que torna possível calcular as correntes nos ramos e as tensões nas barras através de expressões lineares. As alternativas de expansão consideradas são: (i) alocação de bancos de capacitores; (ii) alocação de reguladores de tensão; e (iii) recondutoramento. Ainda, o modelo considera a possibilidade de seleção do tap dos transformadores de distribuição como alternativa para a redução das violações de tensão. A flexibilidade do modelo permite obter soluções considerando a contribuição das GDs no controle de tensão e potência reativa sem a necessidade de especificar uma tensão para a barra da subestação. O modelo de otimização proposto para a solução destes problemas utiliza uma função objetivo linear, além de restrições lineares e variáveis contínuas e binárias. Dessa forma, o modelo de otimização pode ser representado como um problema de programação linear inteira mista (PLIM) A função objetivo considera a minimização dos custos de investimento (aquisição, instalação e remoção de equipamentos e aquisição de condutores) e dos custos de operação, que correspondem aos custos anuais de manutenção somados aos custos das perdas de energia e das violações dos limites de tensão. A variação da carga é representada através de curvas de duração, sendo que os custos das perdas e das violações são ponderados pela duração de cada nível de carregamento. Utilizando uma abordagem de PLIM, sabe-se que existem condições suficientes que garantem a otimalidade de uma dada solução factível, além de permitir que a solução seja obtida através de métodos de otimização clássica. O modelo proposto foi implementado na linguagem de programação OPL e resolvido utilizando o solver comercial CPLEX. O modelo foi validado através da comparação dos resultados obtidos para cinco sistemas de distribuição com os resultados obtidos utilizando um fluxo de carga convencional. Os casos analisados e os resultados obtidos demonstram a precisão do modelo proposto e seu potencial de aplicação. / This work presents a linearized model to be used in short-term expansion planning problems of power distribution systems (PDS) with distributed generation (DG). The steady state operation point is calculated through a linearized model of the network, being the loads and generators modeled as constant current injections, which makes it possible to calculate the branch currents and bus voltages through linear expressions. The alternatives considered for expansion are: (i) capacitor banks placement; (ii) voltage regulators placement; and (iii) reconductoring. Furthermore, the model considers the possibility of adjusting the taps of the distribution transformers as an alternative to reduce voltage violations. The flexibility of the model enables solutions that includes the contribution of DGs in the control of voltage and reactive power without the need to specify the substation voltage. The optimization model proposed to solve these problems uses a linear objective function, along with linear constraints, binary and continuous variables. Thus, the optimization model can be represented as a mixed integer linear programming problem (MILP) The objective function considers the minimization of the investment costs (acquisition, installation and removal of equipment and acquisition of conductors) and the operation costs, which corresponds to the annual maintenance cost plus the costs related to energy losses and violation of voltage limits. The load variation is represented by discrete load duration curves and the costs of losses and voltage violations are weighted by the duration of each load level. Using a MILP approach, it is known that there are sufficient conditions that guarantee the optimality of a given feasible solution, besides allowing the solution to be obtained by classical optimization methods. The proposed model was written in the programming language OPL and solved by the commercial solver CPLEX. The model was validated through the comparison of the results obtained for five distribution systems with the results obtained through conventional load flow. The analyzed cases and the obtained results show the accuracy of the proposed model and its potential for application.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Voltage regulation still is a problem faced by power utilities currently. In addition to the series impedance and the significant load variation of the distribution grids, the main causes of voltage regulation problems, the requirements for the enhancement of power quality by the electricity regulatory agencies, increasing energy consumption, the inclusion of distributed generation and the development of the smart grids tends to increase the complexity of the distribution systems. One of the most used methods for voltage regulation in alternating current systems is the employment of tap changer on transformers, this method allows voltage regulation by varying the transformation ratio, modifying the value of the secondary voltage. The application of these devices is primarily performed by manual commutation mechanical devices in distribution systems, and by automatic electromechanical on load tap changers in substations. In the case of manual devices, operating costs and the impossibility of automatic voltage regulation are limiting factors, while in the case of electromechanical devices the limitations are mainly related to the costs of employment and maintenance. Currently, the increase of voltage and current operating levels of semiconductor devices has allowed envision the application of semiconductor switches instead of the mechanical switches employed nowadays. However, due to the operating characteristics of these devices, a detailed analysis of the commutation process is necessary, in order to allow the proper design of the devices involved in the commutation and protection process of the electronic tap changer. In this context, this work presents the analysis, design and implementation of an electronic on load tap changer applied to a single-phase distribution transformer, proposed as an alternative to the existing mechanical and electromechanical tap changers. Such a system enables the automatic voltage regulation, avoiding the insulation oil degradation, resulting from the commutation process, and also the elimination of movable parts, the main cause of defects in current automatic commutation devices. In addition to allowing steady state voltage regulation, the system allows the regulation for momentary voltage sags, since they occur in the transformer operating range. The analysis of the commutation process is presented, allowing the design of the electronic switches, as well as the protection system to be employed. Experimental results show the correct voltage regulation for different kinds of load, demonstrating the potential application of electronic on load tap changers in the current distribution systems and in future smart grids. / A regulação dos níveis de tensão é um problema ainda enfrentado pelas companhias concessionárias de energia elétrica atualmente. Além da impedância série e da significativa variação de carga das linhas de distribuição, principais causas dos problemas de regulação, a maior exigência dos agentes reguladores do sistema elétrico para a melhoria da qualidade de energia, o aumento do consumo de energia, a inclusão de geração distribuída e o desenvolvimento das redes inteligentes (smart grids), tendem a aumentar a complexidade dos sistemas de distribuição. Um dos métodos mais empregados na regulação de tensão em sistemas de corrente alternada é a aplicação de comutadores de taps em transformadores. Este método permite a regulação da tensão através da variação da relação de transformação, modificando o valor da tensão secundária. A aplicação desta solução é feita, majoritariamente, através de dispositivos mecânicos de comutação manual nos sistemas de distribuição e de dispositivos automáticos eletromecânicos de comutação sob carga em subestações. No caso dos dispositivos manuais, os custos operacionais e a impossibilidade da regulação automática de tensão são fatores limitantes, enquanto que no caso dos dispositivos eletromecânicos, os limitantes estão relacionados principalmente aos custos de implantação e de manutenção. Atualmente, o aumento dos níveis de tensão e corrente de operação dos dispositivos semicondutores tem permitido vislumbrar a aplicação de chaves semicondutoras em substituição às chaves mecânicas empregadas. Entretanto, devido às características de funcionamento destes dispositivos, uma análise detalhada do processo de comutação do sistema é necessária, de modo a permitir um adequado projeto dos dispositivos envolvidos no processo de comutação e proteção dos comutadores eletrônicos de taps. Neste contexto, o presente trabalho apresenta a análise, projeto e implementação de um comutador eletrônico de taps aplicado a um transformador de distribuição monofásico, proposto como alternativa aos comutadores mecânicos ou eletromecânicos existentes. Tal sistema permite a regulação automática da tensão, eliminando o desgaste do óleo isolante, resultante do processo de comutação sob carga e também a eliminação de partes móveis, principal causa de defeitos nos comutadores automáticos atuais. Além de permitir a regulação da tensão em regime permanente, o sistema possibilita a regulação para afundamentos de tensão momentâneos, desde que estejam na faixa de operação do transformador. A análise do processo de comutação do dispositivo estudado é apresentada, permitindo o projeto das chaves eletrônicas, bem como do sistema de proteção a ser empregado. Resultados experimentais demonstram a correta regulação de tensão do sistema desenvolvido, dentro dos limites de operação do transformador, para diferentes tipos de carga, evidenciando a potencialidade dos comutadores eletrônicos de taps em aplicações nas atuais redes de distribuição e nas futuras redes inteligentes.

Non-invasive side-channel attacks (SCA) are powerful attacks which can be used to obtain the secret key in a cryptographic circuit in feasible time without the need for expensive measurement equipment. Power analysis attacks (PAA) are a type of SCA that exploit the correlation between the leaked power consumption information and processed/stored data. Differential power analysis (DPA) and leakage power analysis (LPA) attacks are two types of PAA that exploit different characteristics of the side-channel leakage profile. DPA attacks exploit the correlation between the input data and dynamic power consumption of cryptographic circuits. Alternatively, LPA attacks utilize the correlation between the input data and leakage power dissipation of cryptographic circuits. There is a growing trend to integrate voltage regulators fully on-chip in modern integrated circuits (ICs) to reduce the power noise, improve transient response time, and increase power efficiency. Therefore, when on-chip voltage regulation is utilized as a countermeasure against power analysis attacks, the overhead is low. However, a one-to-one relationship exists between the input power and load power when a conventional on-chip voltage regulator is utilized. In order to break the one-to-one relationship between the input power and load power, two methodologies can be considered: (a) selecting multi-phase on-chip voltage regulator and using pseudo-random number generator (PRNG) to scramble the activation or deactivation pattern of the multi-phase voltage regulator in the input power profile, (b) enabling random voltage/scaling on conventional on-chip voltage regulators to insert uncertainties to the load power profile. In this dissertation, on-chip voltage regulators are utilized as lightweight countermeasures against power analysis attacks. Converter-reshuffling (CoRe) technique is proposed as a countermeasure against DPA attacks by using a PRNG to scramble the input power profile. The time-delayed CoRe technique is designed to eliminate machine learning-based DPA attacks through inserting a certain time delay. The charge-withheld CoRe technique is proposed to enhance the entropy of the input power profile against DPA attacks with two PRNGs. The security-adaptive (SA) voltage converter is designed to sense LPA attacks and activate countermeasure with low overhead. Additionally, three conventional on-chip voltage regulators: low-dropout (LDO) regulator, buck converter, and switched-capacitor converter are combined with three different kinds of voltage/frequency scaling techniques: random dynamic voltage and frequency scaling (RDVFS), random dynamic voltage scaling (RDVS), and aggressive voltage and frequency scaling (AVFS), respectively, against both DPA and LPA attacks.

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