CAPES / O objetivo deste trabalho é a implementação em simulação e experimental de um sistema eólico, desde a modelagem da turbina até a extração de potência para a rede baseado no conversor eletrônico back-to-back. É utilizado no sistema um gerador de indução com rotor em gaiola frente suas vantagens econômicas e facilidade de compra. O trabalho apresenta a estratégia de controle vetorial tanto do conversor do lado do gerador quanto do lado da rede. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do controle vetorial do gerador que utiliza apenas dois sensores de corrente e conta com uma estratégia de estimação de tensão nos terminais da máquina, estimação de fluxo no rotor e ainda estimação de velocidade, reduzindo o número de sensores para tal controle. Um protótipo foi desenvolvido em bancada para validar tais estratégias, onde os principais resultados são apresentados comprovando a estimação de tensão, a estimação de fluxo e de velocidade e a operação do sistema como gerador. / The objective of this work is the implementation of wind system, from the modelling of wind turbine until the power extraction to the grid, based on back-to-back converter. It is used a squirrel cage induction generator because it has economic advantages and it is easily found commercially. The paper presents all control strategy to the grid converter and the generator converter. This work implements a vector control that use just two current sensors and it has a strategy to estimate the voltage terminals machine, rotor flux and the rotor speed, reducing the number of sensors for this control. A prototype was developed to validate these strategies. The main results are presented to demonstrate the estimations and the system operating as generator.

Este trabalho trata sobre a utilização de técnicas de comutação suave aplicadas `a conversores estáticos de potência. A técnica analisada em particular consiste em proporcionar comutação em zero de tensão aos interruptores controlados, sendo referenciada na literatura como Zero Voltage Switching (ZVS). Dentre as diversas topologias de circuitos que implementam a técnica ZVS, neste trabalho é utilizada uma célula de comutação Zero Voltage Transition (ZVT), no qual utiliza interruptores controlados e elementos em paralelo com o circuito principal. O foco do trabalho é a aplicação desta célula ZVT a um conversor CC-CA PWM monofásico com saída senoidal. Nesse sentido inicialmente é feita uma revisão das topologias básicas dos inversores, é das técnicas PWM utilizadas para obtenção de saída senoidal. São apresentados os circuitos ZVT convencional e aprimorado descritos na literatura, no qual o ZVT aprimorado é empregado ao conversor CC-CA ponte completa. São apresentadas as etapas de funcionamento e análise matemática. É descrita uma metodologia de projeto para a determinação dos componentes do circuito auxiliar, com base em restrições definidas para o correto funcionamento da célula e das características dos semicondutores utilizados como chave. Um protótipo do conversor é implementado em laboratório para a validação do projeto, verificação das formas de onda nos interruptores e análise do rendimento. Outros dois circuitos de auxílio à comutação são implementados para efeitos de comparação, sendo o circuito ZVT convencional e o dissipativo snubber de Undeland. Os resultados experimentais comprovam a obtenção da comutação suave nos interruptores e o conversor apresentou rendimento de no mínimo 1% superior ao ZVT convencional e 2% ao snubber de Undeland, valores estes para toda a faixa de carga. / This paper discusses above the application of soft-switching techniques to static power conver-ters. The technique discussed in particular consists in provide zero voltage switching (ZVS) to controlled switches. Among the various circuit topologies to implement the ZVS technique, in this work is used a cell Zero-Voltage Transition (ZVT), in which uses controlled switches and elements in parallel with the main circuit. The main objective of the work is the application of this cell ZVT to a single-phase PWM inverter with sinusoidal output. In this sense initially is made a review of the basic topologies of inverters , and of the PWM techniques used to obtain sinusoidal output. Are presented the circuits ZVT conventional and improved described in the literature, in which the improved ZVT is employed on DC-AC full bridge converter. Steps of operation and mathematical analysis are presented. A design methodology is described for the determination of the components of the auxiliary circuit, based on constraints set for the correct functioning of the cell and of the characteristics of semiconductor. A prototype of the converter is implemented in the laboratory for the validation of the project, verification of waveforms the switches and analysis of efficiency. This converter is compared with other two circuits, ZVT conventional and the Undeland snubber. Experimental results show the achievement of soft switching the switches and the converter presenting an efficiency of at least 1% over for the ZVT conventional and 2% to the undeland snubber, these values for all load range.

CAPES / O objetivo deste trabalho é a implementação em simulação e experimental de um sistema eólico, desde a modelagem da turbina até a extração de potência para a rede baseado no conversor eletrônico back-to-back. É utilizado no sistema um gerador de indução com rotor em gaiola frente suas vantagens econômicas e facilidade de compra. O trabalho apresenta a estratégia de controle vetorial tanto do conversor do lado do gerador quanto do lado da rede. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do controle vetorial do gerador que utiliza apenas dois sensores de corrente e conta com uma estratégia de estimação de tensão nos terminais da máquina, estimação de fluxo no rotor e ainda estimação de velocidade, reduzindo o número de sensores para tal controle. Um protótipo foi desenvolvido em bancada para validar tais estratégias, onde os principais resultados são apresentados comprovando a estimação de tensão, a estimação de fluxo e de velocidade e a operação do sistema como gerador. / The objective of this work is the implementation of wind system, from the modelling of wind turbine until the power extraction to the grid, based on back-to-back converter. It is used a squirrel cage induction generator because it has economic advantages and it is easily found commercially. The paper presents all control strategy to the grid converter and the generator converter. This work implements a vector control that use just two current sensors and it has a strategy to estimate the voltage terminals machine, rotor flux and the rotor speed, reducing the number of sensors for this control. A prototype was developed to validate these strategies. The main results are presented to demonstrate the estimations and the system operating as generator.

This thesis provides a way of mapping the temperature development of the tap-changer oil for some different standardized loading cases. The project was in collaboration with Hitachi Energy for one of their production cites situated in Ludvika, Sweden. The software used for the simulation environment was COMSOL 6.1 which is a finite element solver. Heat transfer from the tap-changer oil to the ambience is an important property to understand in order to be able to model the future tap-changers that can withstand harsch working environments. CAD files for the housing of a tap-changer model, as well as a mathematical model for the oil and heat transfer number, was made. Combined with COMSOLS inbuilt physics tools various temperature plots of the oil and housing could be made, following the creation of the user app that was shared with the company. The resulting temperature plots made it is possible to distinguish which models that operates below the temperature limits, and the ones passing the limit can then be adressed accordingly. Since it is a quite simple model, not including the fluidic dynamics of the oil and with a simple geometry, some errors is to be expected. An interesting finding in this project was the change of placement for the maximum temperature for one specific operation cycle. This could be of use for a future thermal management study that could be implemented into other operation cycles.

Este trabalho apresenta uma estratégia para realizar o controle de tensão em um sistema de distribuição de energia elétrica dotado de comutadores de tap sob carga. Será investigada a aplicação de sistemas inteligentes para tornar os relés reguladores de tensão mais flexíveis. A inserção de módulos inteligentes em relés reguladores de tensão convencionais irá permitir um melhor aproveitamento das funcionalidades já existentes destes dispositivos. Ainda como foco do estudo, pretende-se atuar apenas na subestação de distribuição, realizando medições no barramento secundário e tomando medidas de controle também neste barramento. A capacidade dos sistemas fuzzy em tratar informações incertas, bem como sua potencial aplicabilidade em problemas tendo comportamentos não previsíveis, permitiram a criação de uma estratégia de controle de tensão que atende todas as regulamentações dos órgãos fiscalizadores e, também, os anseios das concessionárias de distribuição de energia elétrica devido aos resultados promissores obtidos em simulação com dados reais das subestações. / This work presents an approach to voltage control in power distribution systems with load tap changers. Intelligent approaches are studied and applied in voltage regulator relay in order to improve the voltage profiles of the system. The proposal of this work is the addition of fuzzy modules in the conventional voltage regulator relays, which allows the exploration of the main functionalities already implemented in such devices. The adaptive fuzzy voltage regulator relay controls the voltage in the distribution substation, monitoring electrical variables and performing the regulation on secondary bus based on the results provided by the fuzzy modules, which are capable to take into account the voltage profile standards for distribution systems as well as operational interests defined by electrical distribution companies. Simulation results using real data from substations are presented to validate the proposed approach.

Esta dissertação propõe um novo sistema de controle baseado na Teoria da Potência Instantânea para um aerogerador acoplado a um gerador síncrono de imãs permanentes. Por se tratar de um gerador com força eletromotriz trapezoidal, o controle proposto traz vantagens em relação aos usuais baseados na transformação de Park. Uma bancada de ensaios foi montada para a verificação experimental. Utilizou-se, para converter a energia rotacional mecânica em elétrica, uma máquina síncrona de ímã permanente (MSIP) de 3kW. O sistema proposto é composto por dois conversores do tipo fonte de tensão (Voltage Source Converter), conectados em topologia back-to-back, são utilizados para conectar este gerador à rede elétrica, nos quais o disparo das chaves é por modulação PWM vetorial. A sincronização e o controle dos fluxos de potências são baseados na teoria pq, com compensadores ressonantes no lado da rede e proporcionalintegral (PI) no lado do gerador. Neste caso, para garantir a estabilidade do controle da corrente do gerador em toda a sua faixa de potência, determinou-se matematicamente, em função da posição do rotor, a força eletromotriz do MSIP. O controle da tensão no barramento CC é feito no lado do gerador, garantindo a permanência da conexão com a rede mesmo quando o sistema está sujeito ao afundamento simétrico da tensão. O sistema de geração ajusta o valor da potência transferida à rede e a velocidade de rotação da turbina eólica, de modo que ele opere sempre no ponto de maior potência. São apresentados resultados de simulação em ambiente Matlab/Simulink, e experimentais coletados na bancada. Para impulsionar o gerador, foi construído um simulador de turbina eólica, que reproduz as características de uma turbina de 3 pás com raio de 2m. / This paper proposes a new control system based on Instantaneous Power Theory for a wind turbine coupled to a synchronous generator permanent magnets. Because it is a generator with trapezoidal EMF, the proposed control brings advantages over the usual based on the transformation of Park. A test bench was set up for the experimental verification. Was used to convert mechanical energy into rotational power, a synchronous permanent magnet machine (PMSM) 3kW. The proposed system consists of two converters of the type of source voltage (Voltage Source Converter) connected on back-to-back topology, are used to connect this generator to the grid, where the shooting of the keys is a vector PWM modulation. Synchronization and control of power flows are based on the pq theory, with resonant compensators on the network side and proportional-integral (PI) on the generator side. In this case, to ensure the stability of the control of the generator current in all its power range, it was determined mathematically as a function of rotor position, the electromotive force of the MSIP. The control of the DC bus voltage is done on the generator side, ensuring the permanence of the connection to the network even when the system is subject to symmetrical voltage sag. The generation system adjusts the amount of power transferred to the network and the rotational speed of the wind turbine, so that it always operates at the point of highest power. Simulation results in Matlab / Simulink environment, and collected in the experimental bench are presented. To drive the generator, built a wind turbine simulator, which reproduces the characteristics of a turbine 3 blades with a radius of 2m.

CAPES / Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um conversor elevador de tensão, com possibilidade de maior ganho que o conversor boost convencional, para aplicações em condições similares e de maior potência. Apresentam-se os principais conceitos envolvendo o conversor boost e duas de suas variações: o conversor boost de três níveis e o conversor boost intercalado com duas células conversoras. São detalhadas as formas construtivas, as etapas de funcionamento, o equacionamento e os principais pontos positivos de cada conversor, de modo a se verificar os possíveis empregos na construção de um protótipo que une as suas principais vantagens. Na apresentação deste conversor são abordadas as etapas de funcionamento, o equacionamento que rege o seu projeto, as simulações obtidas através de software (PSIM), um comparativo entre os modelos de conversor boost estudados e os resultados experimentais obtidos. / This paper presents the development of a boost converter with the possibility of higher gain than the conventional boost converter for applications under similar conditions and increased power. Presents the main concepts involving the boost converter and two variations: the boost converter of three levels and the boost converter interspersed with two converter cells. The breakdown mounting positions, the operating steps, the addressing and the main strengths of each converter in order to check for possible uses in the construction of a prototype joining their main advantages. In the presentation of this converter addresses the operating steps, the equation governing its design, the simulations obtained through software (PSIM), a comparison between the boost converter models studied and the experimental results.

CAPES / Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um conversor elevador de tensão, com possibilidade de maior ganho que o conversor boost convencional, para aplicações em condições similares e de maior potência. Apresentam-se os principais conceitos envolvendo o conversor boost e duas de suas variações: o conversor boost de três níveis e o conversor boost intercalado com duas células conversoras. São detalhadas as formas construtivas, as etapas de funcionamento, o equacionamento e os principais pontos positivos de cada conversor, de modo a se verificar os possíveis empregos na construção de um protótipo que une as suas principais vantagens. Na apresentação deste conversor são abordadas as etapas de funcionamento, o equacionamento que rege o seu projeto, as simulações obtidas através de software (PSIM), um comparativo entre os modelos de conversor boost estudados e os resultados experimentais obtidos. / This paper presents the development of a boost converter with the possibility of higher gain than the conventional boost converter for applications under similar conditions and increased power. Presents the main concepts involving the boost converter and two variations: the boost converter of three levels and the boost converter interspersed with two converter cells. The breakdown mounting positions, the operating steps, the addressing and the main strengths of each converter in order to check for possible uses in the construction of a prototype joining their main advantages. In the presentation of this converter addresses the operating steps, the equation governing its design, the simulations obtained through software (PSIM), a comparison between the boost converter models studied and the experimental results.

Este trabalho apresenta uma estratégia para realizar o controle de tensão em um sistema de distribuição de energia elétrica dotado de comutadores de tap sob carga. Será investigada a aplicação de sistemas inteligentes para tornar os relés reguladores de tensão mais flexíveis. A inserção de módulos inteligentes em relés reguladores de tensão convencionais irá permitir um melhor aproveitamento das funcionalidades já existentes destes dispositivos. Ainda como foco do estudo, pretende-se atuar apenas na subestação de distribuição, realizando medições no barramento secundário e tomando medidas de controle também neste barramento. A capacidade dos sistemas fuzzy em tratar informações incertas, bem como sua potencial aplicabilidade em problemas tendo comportamentos não previsíveis, permitiram a criação de uma estratégia de controle de tensão que atende todas as regulamentações dos órgãos fiscalizadores e, também, os anseios das concessionárias de distribuição de energia elétrica devido aos resultados promissores obtidos em simulação com dados reais das subestações. / This work presents an approach to voltage control in power distribution systems with load tap changers. Intelligent approaches are studied and applied in voltage regulator relay in order to improve the voltage profiles of the system. The proposal of this work is the addition of fuzzy modules in the conventional voltage regulator relays, which allows the exploration of the main functionalities already implemented in such devices. The adaptive fuzzy voltage regulator relay controls the voltage in the distribution substation, monitoring electrical variables and performing the regulation on secondary bus based on the results provided by the fuzzy modules, which are capable to take into account the voltage profile standards for distribution systems as well as operational interests defined by electrical distribution companies. Simulation results using real data from substations are presented to validate the proposed approach.

The increasing awareness on the effect of carbon emissions in our planet has led to several countries to adopt targets for their reduction. One way of contributing to this aim is to use and distribute electricity more efficiently. In this context, Conservation Voltage Reduction (CVR), a well-known technique that takes advantage of the positive correlation between voltage and demand to reduce energy consumption, is gaining renewed interest. This technique saves energy by only reducing customer voltages, without relying on customer actions and, therefore, can be controlled by the Distribution Network Operator (DNO). CVR not only brings benefits to the electricity system by reducing generation requirements (fewer fossil fuel burning and carbon emissions), but also to customers, as energy bill reductions. The extent to which CVR can bring benefits mainly depends on the customers load composition and their voltages. While the former dictates the voltage-demand correlation, the latter constraints the voltage reduction that can be applied without violating statutory limits. Although CVR has been studied for many years, most of the studies neglect the time-varying voltage-demand characteristic of loads and/or do not assess end customer voltages. While these simplifications could be used to estimate CVR benefits for fixed and limited voltage reductions, realistic load and network models are needed to assess the performance of active CVR schemes, where voltages are actively managed to be close to the minimum limit. Moreover, distribution networks have been traditionally designed with limited monitoring and controllability. Therefore, CVR has been typically implemented by adopting conservative voltage reductions from primary substations, for both American and European-style networks. However, as new infrastructure is deployed in European-style LV networks (focus of this work), such as monitoring and on-load tap changers (OLTCs), the opportunity arises to actively manage voltages closer to end customer (unlocking further energy savings). Although these technologies have shown to effectively control voltages in LV networks, their potential for CVR has not been assessed before. Additionally, most CVR studies were performed in a context where distributed generation (DG) was not common. However, this has changed in many countries, with residential photovoltaic (PV) systems becoming popular. As this is likely to continue, the interactions of residential PV and CVR need to be studied. This thesis contributes to address the aforementioned literature gaps by: (i) proposing a simulation framework to characterise the time-varying voltage-demand correlation of individual end customers; (ii) developing a process to model real distribution networks (MV and LV) from DNO data; (iii) adopting a Monte Carlo-based quantification process to cater for the uncertainties related to individual customer demand; (iv) assessing the CVR benefits that can be unlocked with new LV infrastructure and different PV conditions. To accomplish (iv), first, a simple yet effective rule-based scheme is proposed to actively control voltages in OLTC-enabled LV networks without PV and using limited monitoring. It is demonstrated that by controlling voltages closer to customers, annual energy savings can increase significantly, compared to primary substation voltage reductions. Also, to understand the effect of PV on CVR, a centralized, three-phase AC OPF-based CVR scheme is proposed. This control, using monitoring, OLTCs and capacitors across MV and LV networks, actively manages voltages to minimize energy consumption in high PV penetration scenarios whilst considering MV-LV constraints. Results demonstrate that without CVR, PV systems lead to higher energy imports for customers without PV, due to higher voltages. Conversely, the OPF-based CVR scheme can effectively manage voltages throughout the day, minimising energy imports for all customers. Moreover, if OLTCs at secondary substations are available (and managed in coordination with the primary substation OLTC), these tend to regulate customer voltages close to the minimum statutory limit (lower tap positions), while the primary OLTC delivers higher voltages to the MV network to also reduce MV energy losses.