Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2017-01-11T10:20:01Z No. of bitstreams: 1 DissSMOD.pdf: 1316873 bytes, checksum: 17ca9e42efe1b5269cde2ae092a49a4a (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2017-01-13T19:26:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissSMOD.pdf: 1316873 bytes, checksum: 17ca9e42efe1b5269cde2ae092a49a4a (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2017-01-13T19:26:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissSMOD.pdf: 1316873 bytes, checksum: 17ca9e42efe1b5269cde2ae092a49a4a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-13T19:26:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissSMOD.pdf: 1316873 bytes, checksum: 17ca9e42efe1b5269cde2ae092a49a4a (MD5) Previous issue date: 2016-05-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Hydrogen is considered the energy carrier of the future, due to its high energy content and the possibility of its sustainable production. However, its broader implementation depends on overcoming of several technological challenges, which includes the development of safe and effective storage solutions. In the recent decades, different hydrogen storage materials (HSM) have been investigated for hydrogen storage in the solid state, such as simple hydrides, borohydrides, metalorganic frameworks (MOFs), alanates, intermetallic alloys, ammonia borane, and carbon-based compounds. Technological advances in HSM can be monitored from the patent document analysis applying bibliometrics coupled with text mining. In this study, the stage of the technology life cycle was evaluated, as well as the most prominent HSM and the role of different countries on this subject. Patent data were recovered from the Derwent Innovations Index database (DII), processed in bibliometric software VantagePoint® and used for the preparation of technical indicators. Patents in HSM decreased after 2007, except in China. The territories with more expressive patenting activity were the US, Japan, China and the European Union. Simple hydrides and borohydrides were the main classes for triadic patents in the US and EU, while Japan had a high participation in solid solution alloys. Despite its high number of patent applications, China has no triadic patents on HSM, raising doubts about the technological value of its domestic patents. The life-cycle assessment seems to show that the current stage is between the first prototype experiments in the market and a more spread use of the technologies; however, continued monitoring on the subject is necessary for a more accurate analysis. / O hidrogênio é considerado o vetor energético do futuro, devido ao seu alto teor energético e possibilidade de produção sustentável. No entanto, sua implementação mais ampla depende da superação de desafios tecnológicos, especialmente para o seu armazenamento em um sistema seguro, compacto, de baixo peso e alta capacidade gravimétrica. Nas ultimas décadas, diferentes materiais armazenadores de hidrogênio (MAH) tem sido investigados, tais como hidretos simples, borohidretos, redes metalorgânicas (MOFs), alanatos, ligas intermetálicas AB5, amônia borano, e compostos baseados em carbono. Os avanços tecnológicos em MAH podem ser monitorados a partir de análise de documentos de patentes aplicando bibliometria e auxiliados por mineração de textos. Neste trabalho, foi avaliado o estágio do ciclo de vida tecnológico, os MAH mais proeminentes e o papel dos diferentes países patenteadores neste assunto. Os documentos de patentes foram recuperados da base de dados Derwent Innovations Index (DII), processados no software bibliométrico VantagePoint® e serviram para a elaboração dos indicadores tecnológicos. As patentes em MAH diminuíram após 2007, exceto na China. Os principais territórios patenteadores foram os EUA, Japão, China e a União Europeia. Os hidretos simples e borohidretos foram as classes principais nas patentes triádicas dos EUA e União Européia, enquanto o Japão teve uma alta participação em ligas de solução sólida. Apesar do alto pedido de patentes, a China não tem patentes triádicas em MAH, levantando dúvidas sobre o valor tecnológico de seu patenteamento doméstico. A análise do ciclo de vida parece mostrar que o estágio atual se encontra entre as primeiras experiências de protótipos no mercado e implantação mais ampla; entretanto, a continuidade do monitoramento é necessária para uma análise mais precisa.

O aprimoramento de técnicas e dispositivos aplicados à conversão de energia provenientes de fontes alternativas de energia, no contexto da geração distribuída, possui um papel importante para o estabelecimento definitivo de um novo paradigma de despacho e consumo de energia elétrica. Neste contexto, esta tese de doutorado aborda uma proposta de gerenciamento de energia e controle de uma microrede com célula a combustível e painel fotovoltaico como fontes primárias, operando juntamente com elementos armazenadores. Nesta proposta, destaca-se o uso de duas principais técnicas: droop k-sharing e Maximum Power Point Tracking with Saturation Technique (MPPT-ST). A técnica droop k-sharing permite associar uma dinâmica preestabelecida à célula a combustível, de forma que as baterias absorvam o espectro complementar. Adicionalmente, o uso da variável k-sharing com a adição da técnica droop permite o compartilhamento de potência entre as duas fontes sem a necessidade de comunicação entre elas. Já a técnica MPPT-ST, permite a operação de painéis fotovoltaicos no Maximum Power Point (MPP) e fora do MPP utilizando um saturador dinâmico. Por fim, propõe-se uma técnica para o acoplamento dos modelos dinâmicos dos conversores CC-CC por meio do equacionamento da tensão do barramento Corrente Contínua (CC) em espaços de estados, tornando possível analisar a estabilidade da microrede com o método indireto de Lyapunov. Para validar as técnicas propostas, são apresentados resultados de simulação e experimentais. / The improvement of techniques and devices applied to the energy conversion of alternative energy sources, in the distributed generation context, has an important role for the definitive establishment of the new paradigm of energy delivery and consumption. In this context, this PhD thesis addresses a proposal of an energy management strategy for microgrids with fuel cells and photovoltaic panels as primary sources, operating with storage devices. In the proposed control scheme, it is possible to highlight two control techniques: droop k-sharing and MPPT-ST. With the droop k-sharing technique, it is possible to design a specific dynamic behavior for the Fuel Cell, while the battery absorbs the complementary (high frequency) spectrum. Additionally, the use of the k-sharing variable with droop technique makes it possible to share the energy between the two sources without the need of a high-speed communication link. On the other hand, with the MPPT-ST technique, the photovoltaic modules can be operated in the MPP or off-MPP by using a simple dynamic anti-windup strategy. For the stability analysis using the Lyapunov Indirect Method, it is proposed a state space technique to couple the DC-DC converters models using the DC-link capacitor. Finally, to evaluate the proposed theoretical algorithm and analysis, simulations and experimental results are presented.

A utilização de conversores multiníveis tem sido uma importante alternativa para aplicações de alta potência e média tensão, graças aos altos níveis de potência alcançáveis por estas estruturas. Recentemente, esta topologia de conversores foi aplicada em sistemas com fontes alternativas para alimentar um sistema de geração distribuída, nos quais diferentes fontes de energia eram utilizadas. Com base nas características dos conversores multinível e sua potencial aplicabilidade em sistemas de geração distribuída, este trabalho tem como objetivo construir um sistema multinível conectado a rede de distribuição para utilização de fontes alternativas de energia como fontes primárias. Considerando que a energia fornecida pelas fontes alternativas pode sofrer variações, propõe-se a integração de sistemas armazenadores de energia, como capacitores, ao sistema multinível. Por isso, este trabalho desenvolve uma estratégia de controle para máxima transferência de potência ativa entregue à rede a fim de obter um fluxo ótimo. A topologia multinível deste trabalho possui em sua configuração dois módulos inversores conectados em série. Neste caso, é possível que pelo menos um desses inversores funcione com uma modulação em baixa frequência processando a maior parcela de potência. Assim, duas estratégias de controle modulação de fase e modulação de amplitude para a transferência de potência realizada pelo inversor de baixa frequência são analisadas. As vantagens e desvantagens de cada um dos métodos são expostas e então a estratégia mais adequada, no caso a modulação de amplitude, é utilizada na operação do conversor multinível. Além disso, são apresentados a modelagem das plantas e o projeto dos controladores de cada um dos módulos inversores. Por fim, a validação da proposta é feita através dos resultados de simulações e experimentais que mostram a capacidade do sistema de geração em transferir potência constante para a rede de distribuição e manter a corrente quase sem distorções em fase com a tensão. / The utilization of multilevel converters has been an important alternative for medium voltage applications with high power and power quality demand, thanks to the high power levels achievable for this kind of structure. Recently, this converter topology was proposed as a new possibility in renewable energy source applications, mainly in system delivering power to the grid, where different renewable energy resources may be used. Based on the characteristics of multilevel converters, and their potential applicability in distributed generation systems, this study aims to build a multilevel system that could be powered by renewable energy sources as primary sources and then connect them to a distribution grid. However, considering the energy produced by alternative sources can vary, it is analyzed the integration of a storage energy system in this multilevel topology. Taking into account this ends, the main concern of this study is related to the development of a control strategy to maximize the active power transferred to the grid. The multilevel topology employed in this study has two H-bridge inverter modules connected in series forming a cascaded configuration. Therefore, it is possible that at least one of these inverters, operating with a low frequency of modulation, process the majority of power with lower amount of losses. On this way, two control strategies for power transfer are analyzed. The advantages and disadvantages of each method are presented, and the most appropriated strategy is used in the operation of the multilevel converter system. In addition, it has been presented the design criteria for each controller and finally the validation of the proposed approach is done by mains of simulations and experimental results which show the ability of the converter to transfer constant active power to the grid and keep the grid current in phase with the grid voltage.

A utilização de conversores multiníveis tem sido uma importante alternativa para aplicações de alta potência e média tensão, graças aos altos níveis de potência alcançáveis por estas estruturas. Recentemente, esta topologia de conversores foi aplicada em sistemas com fontes alternativas para alimentar um sistema de geração distribuída, nos quais diferentes fontes de energia eram utilizadas. Com base nas características dos conversores multinível e sua potencial aplicabilidade em sistemas de geração distribuída, este trabalho tem como objetivo construir um sistema multinível conectado a rede de distribuição para utilização de fontes alternativas de energia como fontes primárias. Considerando que a energia fornecida pelas fontes alternativas pode sofrer variações, propõe-se a integração de sistemas armazenadores de energia, como capacitores, ao sistema multinível. Por isso, este trabalho desenvolve uma estratégia de controle para máxima transferência de potência ativa entregue à rede a fim de obter um fluxo ótimo. A topologia multinível deste trabalho possui em sua configuração dois módulos inversores conectados em série. Neste caso, é possível que pelo menos um desses inversores funcione com uma modulação em baixa frequência processando a maior parcela de potência. Assim, duas estratégias de controle modulação de fase e modulação de amplitude para a transferência de potência realizada pelo inversor de baixa frequência são analisadas. As vantagens e desvantagens de cada um dos métodos são expostas e então a estratégia mais adequada, no caso a modulação de amplitude, é utilizada na operação do conversor multinível. Além disso, são apresentados a modelagem das plantas e o projeto dos controladores de cada um dos módulos inversores. Por fim, a validação da proposta é feita através dos resultados de simulações e experimentais que mostram a capacidade do sistema de geração em transferir potência constante para a rede de distribuição e manter a corrente quase sem distorções em fase com a tensão. / The utilization of multilevel converters has been an important alternative for medium voltage applications with high power and power quality demand, thanks to the high power levels achievable for this kind of structure. Recently, this converter topology was proposed as a new possibility in renewable energy source applications, mainly in system delivering power to the grid, where different renewable energy resources may be used. Based on the characteristics of multilevel converters, and their potential applicability in distributed generation systems, this study aims to build a multilevel system that could be powered by renewable energy sources as primary sources and then connect them to a distribution grid. However, considering the energy produced by alternative sources can vary, it is analyzed the integration of a storage energy system in this multilevel topology. Taking into account this ends, the main concern of this study is related to the development of a control strategy to maximize the active power transferred to the grid. The multilevel topology employed in this study has two H-bridge inverter modules connected in series forming a cascaded configuration. Therefore, it is possible that at least one of these inverters, operating with a low frequency of modulation, process the majority of power with lower amount of losses. On this way, two control strategies for power transfer are analyzed. The advantages and disadvantages of each method are presented, and the most appropriated strategy is used in the operation of the multilevel converter system. In addition, it has been presented the design criteria for each controller and finally the validation of the proposed approach is done by mains of simulations and experimental results which show the ability of the converter to transfer constant active power to the grid and keep the grid current in phase with the grid voltage.