Nos dias de hoje, o aumento na demanda de energia no Brasil, associado a fatores econômicos e ambientais, tem dificultado a criação de novas usinas hidrelétricas, necessárias para suprir essa demanda adicional e aumentar a confiabilidade do sistema. Nesse contexto, a geração distribuída se destaca como uma solução adequada, pois economiza investimentos em redes de transmissão e distribuição, reduz perdas e diversifica a matriz energética do sistema elétrico, tornando-o mais robusto e eficiente. Dentre as fontes de energia utilizadas em sistemas de geração distribuída, a microturbina apresenta algumas vantagens em relação a outros modelos de GD, como por exemplo, a possibilidade da utilização de vários tipos de combustíveis. Para verificar as características de operação das microturbinas, foram realizadas simulações baseadas em modelos matemáticos presentes na literatura técnica. Porém, devido às altas velocidades de rotação das turbinas a gás, a energia gerada possui frequências muito altas para ser aproveitada diretamente pelos consumidores, sendo necessária uma interface eletrônica para adequação da energia elétrica. Neste trabalho é abordado o estudo, simulação e implementação da primeira etapa desta interface, um retificador trifásico com correção de fator de potência, para a geração de um barramento de corrente contínua com tensão estável, mantendo as correntes de entrada do retificador com formato senoidal e em fase com a tensão. / Nowadays, the increase in energy demand in Brazil, associated with economic and environmental factors, has hindered the creation of new power plants needed to provide this additional demand and improve system reliability. In this context, distributed generation stands out as an appropriate solution because it saves investments in transmission and distribution, reduces losses and diversify the energy matrix of the electrical system, making it more robust and efficient. Among the energy sources used in distributed generation systems, the microturbine has some advantages over other models of GD, such as the possibility of using various types of fuel. To verify the operating characteristics of microturbines, simulations were performed based on mathematical models present in literature. However, due to high rotation speeds of gas turbines, the energy generated has very high frequencies to be used directly by consumers, which requires an electronic interface to adequate the electricity. This work describe the study, simulation and implementation of the first stage of this interface, a three-phase rectifier with power factor correction, to generate a DC bus voltage stable, keeping the rectifier input current format sinusoidal and in phase with the voltage generated by the microturbine.

Orientador: Paulo Henrique de Mello Sant'Ana / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2013

Nos dias de hoje, o aumento na demanda de energia no Brasil, associado a fatores econômicos e ambientais, tem dificultado a criação de novas usinas hidrelétricas, necessárias para suprir essa demanda adicional e aumentar a confiabilidade do sistema. Nesse contexto, a geração distribuída se destaca como uma solução adequada, pois economiza investimentos em redes de transmissão e distribuição, reduz perdas e diversifica a matriz energética do sistema elétrico, tornando-o mais robusto e eficiente. Dentre as fontes de energia utilizadas em sistemas de geração distribuída, a microturbina apresenta algumas vantagens em relação a outros modelos de GD, como por exemplo, a possibilidade da utilização de vários tipos de combustíveis. Para verificar as características de operação das microturbinas, foram realizadas simulações baseadas em modelos matemáticos presentes na literatura técnica. Porém, devido às altas velocidades de rotação das turbinas a gás, a energia gerada possui frequências muito altas para ser aproveitada diretamente pelos consumidores, sendo necessária uma interface eletrônica para adequação da energia elétrica. Neste trabalho é abordado o estudo, simulação e implementação da primeira etapa desta interface, um retificador trifásico com correção de fator de potência, para a geração de um barramento de corrente contínua com tensão estável, mantendo as correntes de entrada do retificador com formato senoidal e em fase com a tensão. / Nowadays, the increase in energy demand in Brazil, associated with economic and environmental factors, has hindered the creation of new power plants needed to provide this additional demand and improve system reliability. In this context, distributed generation stands out as an appropriate solution because it saves investments in transmission and distribution, reduces losses and diversify the energy matrix of the electrical system, making it more robust and efficient. Among the energy sources used in distributed generation systems, the microturbine has some advantages over other models of GD, such as the possibility of using various types of fuel. To verify the operating characteristics of microturbines, simulations were performed based on mathematical models present in literature. However, due to high rotation speeds of gas turbines, the energy generated has very high frequencies to be used directly by consumers, which requires an electronic interface to adequate the electricity. This work describe the study, simulation and implementation of the first stage of this interface, a three-phase rectifier with power factor correction, to generate a DC bus voltage stable, keeping the rectifier input current format sinusoidal and in phase with the voltage generated by the microturbine.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The considerable increase in energy demand has increased the interest in reducing costs, improving reliability, quality and stability of power generation systems. The connection of distributed generation (DG) can be used as a strategic element to improve the voltage levels in power system. Microturbines (MT) have certain advantages over other models of GD, such as the possibility of using various types of fuels. This thesis analyzes the main considerations that should be observed in the use of microturbines as a form of DG. At first is analyze the basic characteristics of a microturbine such as its operation cycle, fuel type, efficiency and modeling. To connect the microturbine to the distribution network is adopted a three-phase rectifier with a power factor regulation and a hybrid multilevel inverter. The three-phase rectifier hold interface synchronous generator between the MT and the high voltage cell of the multilevel inverter. The multilevel inverter operates with asymmetrical voltage in their cells. In each of its cells can be inserted energy sources such as fuel cells, photovoltaic panels and wind generators. For this work is adopted a multilevel inverter with voltage ratios (1:3:9). At higher voltage module will be inserted into the microturbine. In the other two subsequent modules is adopted fixed voltage which later could be replaced by some alternative sources of energy / O considerável aumento da demanda de energia elétrica tem aumentado o interesse por reduzir custos, aprimorando a confiabilidade, qualidade e estabilidade dos sistemas de geração de energia elétrica. A conexão da geração distribuída (GD) pode ser utilizada como elemento estratégico para melhorar os níveis de tensão no sistema elétrico de potência. As microturbinas (MT) apresentam algumas vantagens em relação a outros modelos de GD, como por exemplo, a possibilidade da utilização de vários tipos de combustíveis. Nesta dissertação serão apresentadas as principais considerações que devem ser observadas no uso de microturbinas como forma de GD. Em um primeiro momento serão analisadas as características básicas da microturbina como seu ciclo de funcionamento, tipos de combustíveis, eficiência e modelagem. Para a conexão da microturbina com a rede de distribuição será utilizado um retificador trifásico com correção de fator de potência e um inversor multinível híbrido. O Retificador trifásico realizará a interface do gerador síncrono da MT com uma das células do inversor multinível. O inversor multinível tem capacidade de operar com tensões assimétricas fazendo com que, cada uma dessas tensões, sejam fontes de energia como as Células a combustíveis, Painéis fotovoltaicos e Geradores eólicos. Para este trabalho será adotado um inversor multinível com as proporções de tensão de (1:3:9), visto que, no módulo de maior tensão, será inserida a microturbina, e para os outros dois módulos subseqüentes serão adotadas tensões fixas que posteriormente poderão ser substituídas por outras fontes alternativas de energia.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:53:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000402192-Texto+Completo-0.pdf: 9176578 bytes, checksum: 2a1b0695bcdab809f18f32475e33755c (MD5) Previous issue date: 2008 / This work is focused on research, modeling and computational implementation of new sources of distributed generation aiming to analyze the dynamic behavior, transient and the voltage profile of each source, through simulations, in order to ensure stability of operation and safety. Three dynamic models are developed to study the operation of these sources, in a Matlab/Simulink environment. The system under analysis consists on a microgrid composed of a fuel cells group and gas microturbines, using the synchronous permanent magnets machine and asynchronous machine as generator. The analysis of results is based on three different scenarios of simulation. In the first scenario, is performed a static simulation where is analyzed the voltage behavior for different loads and from this analysis is defined the limit of operation of each source. In the second one is simulated a power step to each source operating alone and, an increase of load when the three sources operate together, in parallel, linked to a distribution network. In the third one, the sources of distributed generation are connected to a small distribution system, which can be represented by an infinite bus, and the occurrence of shortcircuit is simulated considering, each source operating together with the distribution network, as well as the three sources together. The voltages profile, currents and electrics power of all the buses of the system modeled are analyzed in order to evaluate the operation and performance of each source operating in isolation form, as well as the impact of the sources of Distributed Generation operating together with the distribution network. / A proposta deste trabalho está centrada na pesquisa, modelagem e implementação computacional de novas fontes de geração distribuída visando analisar o comportamento dinâmico, transitório e do perfil da tensão de cada uma das fontes, através de simulações, de forma a assegurar uma operação estável e segura. Para o estudo da operação destas fontes, é desenvolvido um modelo dinâmico, em ambiente de Matlab/Simulink, de uma microrede composta por um grupo de células combustíveis e de microturbinas a gás utilizando máquinas síncrona a imãs permanentes e assíncrona como gerador. A análise dos resultados é baseada em três diferentes cenários de simulação. No primeiro cenário é realizado uma simulação estática onde é analisado o comportamento da tensão para diferentes carregamentos e, a partir desta análise é definido o limite de operação de cada fonte. No segundo cenário, é simulado um degrau de potência a cada fonte operando isoladamente e um incremento de carga quando as três fontes operam juntas, em paralelo, ligadas a rede. No terceiro cenário, as fontes de geração distribuída são conectadas a um pequeno sistema de distribuição, que pode ser representado por um barramento infinito, e é simulado a ocorrência de um curto-circuito considerando, nesta situação, cada fonte operando junto com a rede de distribuição, como também, as três fontes juntas. Então, são analisados o perfil das tensões, correntes e potências de todas as barras do sistema modelado de forma a avaliar a operação e o desempenho de cada fonte operando de forma isolada, bem como o impacto das fontes de Geração Distribuída operando em conjunto com a rede de distribuição.

[pt] O uso de tecnologias para incrementar a geração distribuída de energia elétrica, particularmente microturbinas a gás, tem aumentado ultimamente devido à crise de energia que muitos países, como o Brasil têm passado o que é um incentivo à produção independente de energia elétrica. Procedimentos têm sido desenvolvidos para verificar os dados de desempenho de microturbinas, com objetivo de comissionamento. Quando alguém compra um sistema de geração de energia, sua partida pode apenas ser efetivada quando os dados do fabricante concordam com os de projeto, dentro de uma faixa de incerteza acordada, qualificando, portanto, estudos de viabilidade anteriormente realizados. Muitos procedimentos são detalhados para verificar os dados de desempenho sob condições de teste, extrapolando-os para outras diferentes. Potência, consumo de gás, emissão dos gases, qualidade da energia elétrica (incluindo distorção harmônica e frequência) estão entre os parâmetros normalmente medidos. A freqüência de aquisição de dados é normalmente especificada para atender as características de desempenho do equipamento sob condições estáveis de teste. Também, a incerteza dos instrumentos de medição é normalmente especificada, sem qualquer referência à incerteza expandida dos parâmetros calculados, que são usados para caracterizar seu desempenho. Este trabalho descreve um método para avaliação dos dados de desempenho de uma microturbina a gás, juntamente com uma metodologia para calcular a incerteza dos parâmetros que caracterizam seu desempenho, com objetivos de comissionamento, a partir da incerteza dos instrumentos de medição, e fazendo uma análise crítica dos objetivos de medição a serem alcançados. A metodologia é baseada nos conceitos metrológicos mais recentes, de forma que resultados confiáveis possam ser alcançados, utiliza condições de referência, estabelecidas por norma internacional [ISO-2314, 1973], para especificação dos dados de desempenho dos equipamentos, com objetivo de comparação, e segue as diretrizes da U.S. Enveronmental Protection Agency para especificação do desempenho a ser alcançado. / [en] The use of technologies for increasing distributed electric energy generation, particularly gas fired microturbines, has been lately growing due to the energies crisis many countries, including Brasil, have experienced, which is an incentive to an independent electric energy production. Procedures have been developed to check microturbine performance data for commissioning purposes. When somebody buys an energy production plant, its start-up can only be accomplished when manufacturers data matches the design data within an agreed uncertainty band, thus qualifying the previously made feasibility studies. Many procedures are detailed for checking the performance data under testing conditions, and extrapolating them for different ones. Power, gas consumption, gas emissions, electric energy quality (including harmonic distortion and frequency) are among the usually measured parameters. Data acquisition frequency is usually specified to match specified equipment behaviour under stable test conditions. Also, the uncertainty of the measurement instruments are usually specified, without, however, defining the expanded uncertainty of the calculated parameters, which are used to characterize their performance. This work presents a method for evaluating the gas fired microturbine performance data for electric energy generation, together with a methodology for calculating the uncertainty of parameters that characterize its performance for commissioning purposes, starting up from the uncertainty of the measurement instruments, and making a critical analysis of the measurement goals. The methodology is based on most recently used metrology concepts, so that reliable results can be achieved, uses ISO reference conditions for specifying equipment performance data for comparison purposes and follows U.S. Environment Protection Agency directions for specifying performance goals.

Orientador: Prof. Dr. Marat Rafikov / Tese ( doutorado)- Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2016.

Made available in DSpace on 2015-04-14T13:56:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 402192.pdf: 9176578 bytes, checksum: 2a1b0695bcdab809f18f32475e33755c (MD5) Previous issue date: 2008-03-31 / A proposta deste trabalho est? centrada na pesquisa, modelagem e implementa??o computacional de novas fontes de gera??o distribu?da visando analisar o comportamento din?mico, transit?rio e do perfil da tens?o de cada uma das fontes, atrav?s de simula??es, de forma a assegurar uma opera??o est?vel e segura. Para o estudo da opera??o destas fontes, ? desenvolvido um modelo din?mico, em ambiente de Matlab/Simulink, de uma microrede composta por um grupo de c?lulas combust?veis e de microturbinas a g?s utilizando m?quinas s?ncrona a im?s permanentes e ass?ncrona como gerador. A an?lise dos resultados ? baseada em tr?s diferentes cen?rios de simula??o. No primeiro cen?rio ? realizado uma simula??o est?tica onde ? analisado o comportamento da tens?o para diferentes carregamentos e, a partir desta an?lise ? definido o limite de opera??o de cada fonte. No segundo cen?rio, ? simulado um degrau de pot?ncia a cada fonte operando isoladamente e um incremento de carga quando as tr?s fontes operam juntas, em paralelo, ligadas a rede. No terceiro cen?rio, as fontes de gera??o distribu?da s?o conectadas a um pequeno sistema de distribui??o, que pode ser representado por um barramento infinito, e ? simulado a ocorr?ncia de um curto-circuito considerando, nesta situa??o, cada fonte operando junto com a rede de distribui??o, como tamb?m, as tr?s fontes juntas. Ent?o, s?o analisados o perfil das tens?es, correntes e pot?ncias de todas as barras do sistema modelado de forma a avaliar a opera??o e o desempenho de cada fonte operando de forma isolada, bem como o impacto das fontes de Gera??o Distribu?da operando em conjunto com a rede de distribui??o.

Made available in DSpace on 2017-07-10T16:41:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissert Jeremy G Rauber 2.pdf: 8078083 bytes, checksum: f2d742bf8414241dc0d4dc419b285266 (MD5) Previous issue date: 2016-06-08 / The overwhelming need to use renewable energy sources for electricity generation allowed the use of gas microturbines (MTG) in distributed generation applications (GD) and energy cogeneration. Microturbine behavior prediction for studies applied in this context require the use of dynamic models. Among the many microturbines existing gas in the literature, we selected three dynamic models of gas microturbines: recurrent in the literature, Rowen model; the simple model, GAST model; a model representative of the thermodynamic equations, thermomechanical model. However, lack of studies to represent the same microturbine under the same ways using different types of microturbines and seeking to establish parametric relationships so that they can check for any correlation between them and there is few studies on the impact of the use of simplified models MTG in DG and CHP applications. For work on the gas microturbine literature, typically address the problem of GD and energy cogeneration separately. This work aims to contribute analysis on the applicability of MTG models for simultaneous studies of GD and energy cogeneration, seeking to find correlation between the equations and parameters governing such models and elucidate the impact of simplifications in MTG models for studies of GD and cogeneration. These models were evaluated for possible analytical and parametric relationships to each other, as well as to their static and dynamic operating characteristics. The microturbine was considered connected to the mains via a frequency inverter and operating in cogeneration energy represented by a Stirling engine by performing heat recovery from the exhaust gases. The first evaluation of models and simplifications was performed qualitative and comparative manner, elucidating the main differences modeling each MTG model. It was later performed static analysis of the equations that predict the torque and temperature. Finally, the application of models in GD and cogeneration with the aid of dynamic simulation involving tests that induced MTG to changes in the operating point of electricity generation, as well as the system's response to an electrical failure in the network scenario was evaluated. The analysis of the simulation results showed that the three models of microturbines make up three different philosophies of modeling that have no direct algebraic relations between them, but have parametric relationships. The main difference between the results of different models modeling the micro turbine s fuel system. Based on the results obtained, Gast model showed similar results to model more Rowen, unlike thermomechanical model. The simplifications of dynamic models of MTG were sensitive to the consideration of the fuel system, because its absence influences the representation of cogeneration and GD phenomena. / A contundente necessidade do uso de fontes energéticas renováveis para geração elétrica permitiu o uso de microturbinas a gás (MTG) em aplicações de geração distribuída (GD) e cogeração energética. Estudos para previsão do comportamento de microturbinas aplicadas neste contexto demandam o uso de modelos dinâmicos. Dentre os diversos modelos de microturbinas a gás existente na literatura, selecionou-se três modelos dinâmicos de microturbinas a gás: o mais recorrente na literatura, modelo de Rowen; o modelo simples, modelo GAST; um modelo que representativo das equações termodinâmicas, modelo Termomecânico. Entretanto, carecem de estudos que permitam representar a mesma microturbina sob os mesmos aspectos utilizando modelos diferentes de microturbinas e que busquem estabelecer relações paramétricas maneira que possam verificar alguma correlação entre eles e, ainda, não há poucos estudos acerca do impacto do uso de modelos simplificados de MTG em aplicações de GD e Cogeração. Pois, os trabalhos na literatura de microturbinas a gás tipicamente abordam o problema da GD e cogeração energética em separado. Este trabalho visa contribuir com análises acerca da aplicabilidade de modelos de MTG para estudos simultâneos de GD e cogeração energética, buscando encontrar correlação entre as equações e parâmetros que regem os tais modelos e, ainda, elucidar o impacto de simplificações nos modelos de MTG para os estudos de GD e cogeração. Estes modelos foram avaliados quanto às possíveis relações analíticas e paramétricas entre si, bem como quanto às suas características operativas estáticas e dinâmicas. A microturbina foi considerada conectada à rede elétrica via inversor de frequência e operando em cogeração energética representada por um motor Stirling realizando o aproveitamento térmico dos gases de exaustão. A primeira avaliação dos modelos e das simplificações foi realizada de forma qualitativa e comparativa, elucidando as principais diferenças de modelagem de cada modelo de MTG. Posteriormente, foi executada análise estática das equações que preveem o torque e a temperatura. Por fim, foi avaliado a aplicação dos modelos em GD e cogeração com auxílio de simulação dinâmica envolvendo testes que induziram a MTG a mudanças no ponto de operação da geração elétrica, bem como a reação do sistema a um cenário de falta elétrica na rede. As análises dos resultados da simulação permitiram concluir que os três modelos de microturbinas compõem três filosofias diferentes de modelagem que não possuem relações algébricas diretas entre si, mas que possuem relações paramétricas. A principal diferença entre os modelos resulta da distinta modelagem do sistema de combustível da microturbina. Frente aos resultados obtidos, o modelo GAST apresentou resultados mais semelhantes ao modelo de Rowen, ao contrário do modelo Termomecânico. As simplificações de modelos dinâmicos de MTG se mostraram sensíveis à consideração do sistema de combustível, pois sua ausência impacta na representação dos fenômenos de cogeração e GD.