Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

La Ordenación del Territorio en las Ciudades Globales Europeas: El caso de Madrid

En la Comunidad de Madrid el modelo de ocupación del territorio en las dos últimas décadas ha obedecido a factores de oferta del mercado y no a las necesidades de la población, ello provoca un consumo de suelo y de recursos que conducen a una sobrexplotación insostenible. Las metrópolis globales están experimentando rápidas e intensas transformaciones, basadas en los paradigmas emergentes de la globalización, la gobernanza, la metropolizacion y la dispersión de las actividades en el territorio y a través de ellos se abordan los planes de Londres, París y las tentativas de Madrid. La globalización provoca la pérdida de soberanía de las administraciones publicas y la competitividad entre las ciudades globales en Europa, Londres, Paris y Madrid, son centros de poder, de concentración y crecimiento donde se produce la dualización del espacio y donde la desigualdad participa de la restructuración urbana, concentración de pobreza frente a espacios de la nueva clase emergente en donde dominan los sectores de servicios y las tecnologías de la información. Frente al desarrollo urbano neoliberal de regulación a través del mercado y basada en criterios de eficiencia de la Nueva Gestión Pública, se vislumbra la posibilidad de que la sociedad se administre a si misma por medio de acciones voluntarias y responsables que promuevan los intereses colectivos mediante el reconocimiento de su propia identidad, introduciendo el concepto de gobernanza. Frente, a la explotación del territorio por parte de la sociedad extractiva que genera corrupcion, se propone un modelo de cooperación público-privada basado en la confianza mutua, un marco regulador estable, la transparencia y la información a cuyo flujo más homogéneo contribuirán sin duda las TICs. En todo este proceso, las regiones metropolitanas en Europa se erigen como motores del crecimiento, donde los límites administrativos son superados, en un territorio cada vez más extendido y donde los gobiernos locales tienen que organizarse mediante un proceso de cooperación en la provisión de servicios que ayuden a evitar los desequilibrios territoriales. El fenómeno de la dispersión urbana en desarrollos de baja densidad, los centros comerciales periféricos, la expulsión hacia la periferia de las actividades de menor valor añadido y la concentración de funciones directivas en el centro, conducen a una fragmentación del territorio en islas dependientes del automóvil y a procesos de exclusión social por la huida de las rentas altas y la expulsión de las rentas bajas de los centros urbanos. Se crean fragmentos monofuncionales y discontinuos, apoyados en las autovías, lugares carentes de identidad y generadores de despilfarro de recursos y una falta de sostenibilidad ambiental, económica y social. El estudio de la cultura de la planificación en Europa ayuda a comprender los diferentes enfoques en la ordenación del territorio y el proceso de convergencia entre las diferentes regiones. Los documentos de la UE se basan en la necesidad de la competitividad para el crecimiento europeo y la cohesión social y en relación al territorio en los desarrollos policéntricos, la resolución del dualismo campo-ciudad, el acceso equilibrado a las infraestructuras, la gestión prudente de la naturaleza, el patrimonio y el fomento de la identidad. Se proponen dos niveles de estudio uno actual, los últimos planes de Londres y Paris y el otro la evolución de las tentativas de planes en la Región madrileña siempre en relación a los paradigmas emergentes señalados y su reflejo en los documentos. El Plan de Londres es estratégico, con una visión a largo plazo, donde se confiere un gran interés al proceso, al papel del alcalde como líder y su adaptación a las circunstancias cambiantes, sujeto a las incertidumbres de una ciudad global. El desarrollo del mismo se concibe a través de la colaboración y cooperación entre las administraciones y actores. La estructura del documento es flexible, establece orientaciones y guías indicativas, para la redacción de los planes locales, no siendo las mismas vinculantes y con escasa representación grafica. El Plan de París es más un plan físico, similar al de otros centros europeos, trabaja sobre los sectores y sobre los territorios, con información extensa, con características de “Plan Latino” por la fuerza de la expresión gráfica, pero al mismo tiempo contiene una visión estratégica. Es vinculante en sus determinaciones y normativas, se plantea fomentar, pero también prohibir. Ambos planes tratan la competitividad internacional de sus centros urbanos, la igualdad social, la inclusión de todos los grupos sociales y la vivienda como una cuestión de dignidad humana. Londres plantea la gobernanza como cooperación entre sector público-privado y la necesaria cooperación con las regiones limítrofes, en París las relaciones están más institucionalizadas resaltando la colaboración vertical entre administraciones. Ambos plantean la densificación de nodos servidos por transporte público, modos blandos y el uso los TODs y la preservación de la infraestructura verde jerarquizada, la potenciación de la red azul y la mejora del paisaje de las periferias. En las “tentativas” de planes territoriales de Madrid se constata que estuvieron sujetas a los ciclos económicos. El primer Documento las DOT del año 1984, no planteaba crecimiento, ni económico ni demográfico, a medio plazo y por ello no proponía una modificación del modelo radio concéntrico. Se trataba de un Plan rígido volcado en la recuperación del medio rural, de la ciudad, el dimensionamiento de los crecimientos en función de las dotaciones e infraestructuras existentes. Aboga por la intervención de la administración pública y la promoción del pequeño comercio. Destaca el desequilibrio social en función de la renta, la marginación de determinados grupos sociales, el desequilibrio residencia/empleo y la excesiva densidad. Incide en la necesidad de viviendas para los más desfavorecidos mediante el alquiler, la promoción suelo público y la promoción del ferrocarril para dar accesibilidad al espacio central. Aboga por el equipamiento de proximidad y de pequeño tamaño, el tratamiento paisajístico de los límites urbanos de los núcleos y el control de las actividades ilegales señalando orientaciones para el planeamiento urbano. Las Estrategias (1989) contienen una visión: la modificación del modelo territorial, mediante la intervención pública a través de proyectos. Plantea la reestructuración económica del territorio, la reconversión del aparato productivo, la deslocalización de actividades de escaso valor añadido y una mayor ubicuidad de la actividad económica. Incide en la difusión de la centralidad hacia el territorio del sur, equilibrándolo con el norte, tratando de recomponer empleo y residencia, integrando al desarrollo económico las periferias entre sí y con el centro. Las actuaciones de transporte consolidarían las actuaciones, modificando el modelo radio concéntrico facilitando la movilidad mediante la red de cercanías y la intermodalidad. El plan se basaba en el liderazgo del Consejero, no integrando sectores como el medio ambiente, ni estableciendo un documento de seguimiento de las actuaciones que evaluara los efectos de las políticas y su aportación al equilibrio territorial, a través de los proyectos realizados. El Documento Preparatorio de las Bases (1995), es más de un compendio o plan de planes, recoge análisis y propuestas de los documentos anteriores y de planes sectoriales de otros departamentos. Presenta una doble estructura: un plan físico integrador clásico, que abarca los sectores y territorios, y recoge las Estrategias previas añadiendo puntos fuertes, como el malestar urbano y la rehabilitación el centro. Plantea la consecución del equilibrio ambiental mediante el crecimiento de las ciudades existentes, la vertebración territorial basada en la movilidad y en la potenciación de nuevas centralidades, la mejora de la habitabilidad y rehabilitación integral del Centro Urbano de Madrid, y la modernización del tejido productivo existente. No existe una idea-fuerza que aglutine todo el documento, parte del reconocimiento de un modelo existente concentrado y congestivo, un centro urbano dual y dos periferias al este y sur con un declive urbano y obsolescencia productiva y al oeste y norte con una dispersión que amenaza al equilibrio medioambiental. Señala como aspectos relevantes, la creciente polarización y segregación social, la deslocalización industrial, la aparición de las actividades de servicios a las empresas instaladas en las áreas metropolitanas, y la dispersión de las actividades económicas en el territorio por la banalización del uso del automóvil. Se plantea el reto de hacer ciudad de la extensión suburbana y su conexión con el sistema metropolitano, mediante una red de ciudades integrada y complementaria, en búsqueda de un mayor equilibrio y solidaridad territorial. Las Bases del PRET (1997) tenían como propósito iniciar el proceso de concertación en que debe basarse la elaboración del Plan. Parte de la ciudad mediterránea compacta, y diversa, y de la necesidad de que las actividades económicas, los servicios y la residencia estén en proximidad, resolviéndolo mediante una potente red de transporte público que permitiese una accesibilidad integrada al territorio. El flujo de residencia hacia la periferia, con un modelo ajeno de vivienda unifamiliar y la concentración del empleo en el centro producen desequilibrio territorial. Madrid manifiesta siempre apostó por la densificación del espacio central urbanizado, produciendo su congestión, frente al desarrollo de nuevos suelos que permitieran su expansión territorial. Precisa que es necesario preservar los valores de centralidad de Madrid, como generador de riqueza, canalizando toda aquella demanda de centralidad, hacia espacios más periféricos. El problema de la vivienda no lo ve solo como social, sino como económico, debido a la pérdida de empleos que supone su paralización. Observa ya los crecimientos residenciales en el borde de la region por el menor valor del suelo. Plantea como la política de oferta ha dado lugar a un modelo de crecimiento fragmentado, desequilibrado, desestructurado, con fuertes déficits dotacionales y de equipamiento, que inciden en la segregación espacial de las rentas, agravando el proceso de falta de identidad morfológica y de desarraigo de los valores urbanos. El plan señalaba que la presión sobre el territorio creaba su densificación por las limitaciones de espacio, Incidía en limitar el peso de la intervención pública, no planteando propuestas de cooperación público-privado. La mayor incoherencia estriba en que los objetivos eran innovadores y coinciden en su mayoría con las propuestas estudiadas de Londres o Paris, pero se intentan implementar a través de un cambio hacia un modelo reticulado homogéneo, expansivo sobre el territorio, que supone un consumo de suelo y de infraestructuras para solucionar un problema inexistente, la gestión de la densidad. Durante las dos últimas décadas en ausencia de un plan regional, la postura neoliberal fue la de un exclusivo control de legalidad del planeamiento, los municipios entraron en un proceso de competencia para aprovechar las iniciales ventajas económicas de los crecimientos detectados, que proporcionaban una base económica “sólida” a unos municipios con escasos recursos en sus presupuestos municipales. La legislación se modifica a requerimiento de grupos interesados, no existiendo un marco estable. Se pierde la figura del plan no solo a nivel regional, si no en los sectores y el planeamiento municipal donde los municipios tiende a basarse en modificaciones puntuales con la subsiguiente pérdida del modelo urbanístico. La protección ambiental se estructura mediante un extenso nivel de figuras, con diversidad de competencias que impide su efectiva protección y control. Este proceso produce un despilfarro en la ocupación del suelo, apoyada en las infraestructuras viarias, y un crecimiento disperso y de baja densidad, cada vez más periférico, produciéndose una segmentación social por dualización del espacio en función de niveles de renta. Al amparo del boom inmobiliario, se produce una falta de política social de vivienda pública, más basada en la dinamización del mercado con producción de viviendas para rentas medias que en políticas de alquiler para determinados grupos concentrándose estas en los barrios desfavorecidos y en la periferia sur. Se produce un incremento de la vivienda unifamiliar, muchas veces amparada en políticas públicas, la misma se localiza en el oeste principalmente, en espacios de valor como el entorno del Guadarrama o con viviendas más baratas por la popularización de la tipología en la frontera de la Región. El territorio se especializa a modo de islas monofuncionales, las actividades financieras y de servicios avanzados a las empresas se localizan en el norte y oeste próximo, se pierde actividad industrial que se dispersa más al sur, muchas veces fuera de la región. Se incrementan los grandes centros comerciales colgados de las autovías y sin población en su entorno. Todo este proceso ha provocado una pérdida de utilización del transporte público y un aumento significativo del uso del vehículo privado. En la dos últimas décadas se ha producido en la región de Madrid desequilibrio territorial y segmentación social, falta de implicación de la sociedad en el territorio, dispersión del crecimiento y un incremento de los costes ambientales, sociales y económicos, situación, que solo, a través del uso racional del territorio se puede reconducir, apoyado en una planificación integrada sensible y participativa. ABSTRACT In Madrid the model of land occupation in the past two decades has been driven by market supply factors rather than the needs of the population. This results in a consumption of land and resources that leads to unsustainable overexploitation. Addressing this issue must be done through sensitive and participatory integrated planning. Global cities are experiencing rapid and intense change based on the emerging paradigms of globalization, governance, metropolization and the dispersion of activities in the territory. Through this context, a closer look will be taken at the London and Paris plans as well as the tentative plans of Madrid. Globalization causes the loss of state sovereignty and the competitiveness among global cities in Europe; London, Paris and Madrid. These are centres of power, concentration and growth where the duality of space is produced, and where inequality plays a part in urban restructuration. There are concentrated areas of poverty versus areas with a new emerging class where the services sector and information technologies are dominant. The introduction of ICTs contributes to a more homogeneous flow of information leading, us to the concept of governance. Against neoliberal urban development based on free market regulations and efficiency criteria as established by the “New Public Management”, emerge new ways where society administers itself through voluntary and responsible actions to promote collective interests by recognizing their own identity. A new model of public-private partnerships surfaces that is based on mutual trust, transparency, information and a stable regulatory framework in light of territorial exploitation by the “extractive society” that generates corruption. Throughout this process, European metropolitan regions become motors of growth where administrative boundaries are overcome in an ever expanding territory where government is organized through cooperative processes to provide services that protect against regional imbalances. Urban sprawl or low-density development as seen in peripheral shopping centres, the off-shoring of low added-value activities to the periphery, and the concentration of business and top management functions in the centre, leads to a fragmentation of the territory in automobile dependent islands and a process of social exclusion brought on by the disappearance of high incomes. Another effect is the elimination of low income populations from urban centres. In consequence, discontinuous expansions and mono-functional places that lack identity materialize supported by a highway network and high resource consumption. Studying the culture of urban planning in Europe provides better insight into different approaches to spatial planning and the process of convergence between different regions. EU documents are based on the need of competitiveness for European growth and social cohesion. In relation to polycentric development territory they are based on a necessity to solve the dualism between field and city, balanced access to infrastructures, prudent management of nature and solidifying heritage and identity Two levels of study unfold, the first being the current plans of London and Île-de-France and the second being the evolution of tentative plans for the Madrid region as related to emerging paradigms and how this is reflected in documents. The London Plan is strategic with a long-term vision that focuses on operation, the role of the mayor as a pivotal leader, and the adaptability to changing circumstances brought on by the uncertainties of a global city. Its development is conceived through collaboration and cooperation between governments and stakeholders. The document structure is flexible, providing guidance and indicative guidelines on how to draft local plans so they are not binding, and it contains scarce graphic representation. The Plan of Paris takes on a more physical form and is similar to plans of other European centres. It emphasizes sectors and territories, using extensive information, and is more characteristic of a “Latin Plan” as seen in its detailed graphic expression. However, it also contains a strategic vision. Binding in its determinations and policy, it proposes advancement but also prohibition. Both plans address the international competitiveness of urban centres, social equality, inclusion of all social groups and housing as issues of human dignity. London raises governance and cooperation between public and private sector and the need for cooperation with neighbouring regions. In Paris, the relations are more institutionalized highlighting vertical collaboration between administrations. Both propose nodes of densification served by public transportation, soft modes and the use of TOD, the preservation of a hierarchical green infrastructure, and enhancing the landscape in urban peripheries. The tentative territorial plans for the Madrid region provide evidence that they were subject to economic cycles. The first document of master guidelines (1984) does not address either economic or demographic growth in the mid term and therefore does not propose the modification of the radio-concentric model. It is a rigid plan focused on rural and urban recovery and the dimensioning of growth that depends on endowments and infrastructures. It advocates government intervention and promotes small business. The plan emphasizes social imbalance in terms of income, marginalization of certain social groups, the imbalance of residence/employment and excessive density. It stresses the need for social rent housing for the underprivileged, promotes public land, and the supports rail accessibility to the central area. It backs facilities of proximity and small size, enhancing the landscaping of city borders, controlling illegal activities and draws out guidelines for urban planning. The strategies (1989) contain a vision: Changing the territorial model through public intervention by means of projects. They bring to light economic restructuring of territory, the reconversion of the productive apparatus, relocation of low value-added activities, and greater ubiquity of economic activity. They also propose the diffusion of centrality towards southern territories, balancing it with the north in an attempt to reset employment and residence that integrates peripheral economic development both in the periphery and the centre. Transport would consolidate the project, changing the radius-concentric model and facilitating mobility through a commuter and inter-modality network. The plan derives itself from the leadership of the minister and does not integrate sectors such as environment. It also does not incorporate the existence of a written document that monitors performance to evaluate the effects of policies and their contribution to the territorial balance. The Preparatory Document of the Bases, (1995) is more a compendium, or plan of plans, that compiles analysis and proposals from previous documents and sectorial plans from other departments. It has a dual structure: An integrating physical plan covering the sectors and territories that includes the previous strategies while adding some strengths. One such point is the urban discomfort and the rehabilitation of the centre. It also poses the achievement of environmental balance through the growth of existing cities, the territorial linking based on mobility, strengthening new centres, improving the liveability and comprehensive rehabilitation of downtown Madrid, and the modernization of the existing production network. There is no one powerful idea that binds this document. This is due to the recognition of an existing concentrate and congestive model, a dual urban centre, two eastern and southern suburbs suffering from urban decay, and an obsolescent productive north and west whose dispersion threatens the environmental balance. Relevant aspects the document highlights are increasing polarization and social segregation, industrial relocation, the emergence of service activities to centralized companies in metropolitan areas and the dispersion of economic activities in the territory by the trivialization of car use. It proposes making the city from the suburban sprawl and its connection to the metropolitan system through a network of integrated and complementary cities in search of a better balance and territorial solidarity. The Bases of PRET (1997) aims to start the consultation process that must underpin the development of the plan. It stems from a compact and diverse Mediterranean city along with the need for economic activities, services and residences that are close. To resolve the issue, it presents a powerful network of public transport that allows integrated accessibility to the territory. The flow of residence to the periphery based on a foreign model of detached housing and an employment concentration in the centre produces territorial imbalance. Madrid always opted for the densification of the central space, producing its congestion, against the development of new land that would allow its territorial expansion. The document states that the necessity to preserve the values of the housing problem is not only viewed as social, but also economic due to the loss of jobs resulting from their paralysis. It notes the residential growth in the regional border due to the low price of land and argues that the policy of supply has led to a fragmented model of growth that is unbalanced, unstructured, with strong infrastructure and facility deficits that affect the spatial segregation of income and aggravate the lack of morphological identity, uprooting urban values. The pressure on the territory caused its densification due to space limitation; the proposed grid model causes land consumption and infrastructure to solve a non-problem, density. Focusing on limiting the weight of public intervention, it does not raise proposals for public-private cooperation. The biggest discrepancy is that the targets were innovative and mostly align with the proposals in London and Paris. However, it proposes to be implemented through a shift towards a uniform gridded model that is expansive over territory. During the last two decades, due to the absence of a regional plan, a neoliberal stance held exclusive control of the legality of urban planning. The municipalities entered a competition process to take advantage of initial economic benefits of such growth. This provided a “solid” economic base for some municipalities with limited resources in their municipal budgets. The law was amended without a legal stable framework at the request of stakeholders. The character of the plan is lost not only regionally, but also in the sectors and municipal planning. This tends to be based on specific changes with the loss of an urban model. Environmental protection is organized through an extensive number of protection figures with diverse competencies that prevent its effective protection. This process squanders the use of the land, backed by increasing road infrastructure, dispersed occupations with low-density growth causing a social segmentation due to space duality based on income levels. During the housing boom, there is a reduction in social public housing policy mostly due to a boost in the market of housing production for average incomes than in rental policies for needy social groups that focus on disadvantaged neighbourhoods and southern suburbs. As a result, there is an increase in single-family housing, often protected by public policy. This is located primarily in the west in areas of high environmental value such as Guadarrama. There is also cheaper housing due to the popularization of typology in the border region. There, territory works as a mono-functional islands. Financial activities and advanced services for companies are located to the north and west where industrial activity is lost as it migrates south, often outside the region. The number of large shopping centres hanging off the highway infrastructure with little to no surrounding population increases. This process leads to the loss of dependency on public transport and a significant increase in the use of private vehicles. The absence of regional planning has produced more imbalance, more social segmentation, more dispersed growth and a lot of environmental, social and economic costs that can only be redirected through rational territorial.

Adaptation Strategies for Discontinuous Galerkin Spectral Element Methods by means of Truncation Error Estimations

In this work a p-adaptation (modification of the polynomial order) strategy based on the minimization of the truncation error is developed for high order discontinuous Galerkin methods. The truncation error is approximated by means of a truncation error estimation procedure and enables the identification of mesh regions that require adaptation. Three truncation error estimation approaches are developed and termed a posteriori, quasi-a priori and quasi-a priori corrected. Fine solutions, which are obtained by enriching the polynomial order, are required to solve the numerical problem with adequate accuracy. For the three truncation error estimation methods the former needs time converged solutions, while the last two rely on non-converged solutions, which lead to faster computations. Based on these truncation error estimation methods, algorithms for mesh adaptation were designed and tested. Firstly, an isotropic adaptation approach is presented, which leads to equally distributed polynomial orders in different coordinate directions. This first implementation is improved by incorporating a method to extrapolate the truncation error. This results in a significant reduction of computational cost. Secondly, the employed high order method permits the spatial decoupling of the estimated errors and enables anisotropic p-adaptation. The incorporation of anisotropic features leads to meshes with different polynomial orders in the different coordinate directions such that flow-features related to the geometry are resolved in a better manner. These adaptations result in a significant reduction of degrees of freedom and computational cost, while the amount of improvement depends on the test-case. Finally, this anisotropic approach is extended by using error extrapolation which leads to an even higher reduction in computational cost. These strategies are verified and compared in terms of accuracy and computational cost for the Euler and the compressible Navier-Stokes equations. The main result is that the two quasi-a priori methods achieve a significant reduction in computational cost when compared to a uniform polynomial enrichment. Namely, for a viscous boundary layer flow, we obtain a speedup of a factor of 6.6 and 7.6 for the quasi-a priori and quasi-a priori corrected approaches, respectively. RESUMEN En este trabajo se ha desarrollado una estrategia de adaptación-p (modificación del orden polinómico) para métodos Galerkin discontinuo de alto orden basada en la minimización del error de truncación. El error de truncación se estima utilizando el método tau-estimation. El estimador permite la identificación de zonas de la malla que requieren adaptación. Se distinguen tres técnicas de estimación: a posteriori, quasi a priori y quasi a priori con correción. Todas las estrategias requieren una solución obtenida en una malla fina, la cual es obtenida aumentando de manera uniforme el orden polinómico. Sin embargo, mientras que el primero requiere que esta solución esté convergida temporalmente, el resto utiliza soluciones no convergidas, lo que se traduce en un menor coste computacional. En este trabajo se han diseñado y probado algoritmos de adaptación de malla basados en métodos tau-estimation. En primer lugar, se presenta un algoritmo de adaptacin isótropo, que conduce a discretizaciones con el mismo orden polinómico en todas las direcciones espaciales. Esta primera implementación se mejora incluyendo un método para extrapolar el error de truncación. Esto resulta en una reducción significativa del coste computacional. En segundo lugar, el método de alto orden permite el desacoplamiento espacial de los errores estimados, permitiendo la adaptación anisotropica. Las mallas obtenidas mediante esta técnica tienen distintos órdenes polinómicos en cada una de las direcciones espaciales. La malla final tiene una distribución óptima de órdenes polinómicos, los cuales guardan relación con las características del flujo que, a su vez, depenen de la geometría. Estas técnicas de adaptación reducen de manera significativa los grados de libertad y el coste computacional. Por último, esta aproximación anisotropica se extiende usando extrapolación del error de truncación, lo que conlleva un coste computational aún menor. Las estrategias se verifican y se comparan en téminors de precisión y coste computacional utilizando las ecuaciones de Euler y Navier Stokes. Los dos métodos quasi a priori consiguen una reducción significativa del coste computacional en comparación con aumento uniforme del orden polinómico. En concreto, para una capa límite viscosa, obtenemos una mejora en tiempo de computación de 6.6 y 7.6 respectivamente, para las aproximaciones quasi-a priori y quasi-a priori con corrección.

New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterización electromagnética rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterización no se realiza habitualmente en la gran mayoría de métodos de síntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiación de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que únicamente tiene en cuenta la posición de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrará en esta tesis, en múltiples ocasiones un riguroso análisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un método de análisis electromagnético con un proceso de síntesis de diagramas de radiación. Los métodos de análisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en términos de longitudes de onda. Generalmente, un diseño de un problema electromagnético suele comprender varios análisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las características, lo que hace este proceso muy costoso. Dos métodos se utilizan en esta tesis para el análisis de los arrays acoplados. Ambos están basados en el método de los elementos finitos, la descomposición de dominio y el análisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigación donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una técnica de análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansión en modos esféricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este método calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslación y rotación de los modos esféricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas técnicas utilizan una formulación matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de diseño, como los métodos de síntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas técnicas de síntesis, que incluyen métodos rigurosos de análisis, son consecuentemente más precisos. La síntesis de arrays consiste en modificar uno o varios parámetros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las características de radiación. Los parámetros utilizados como variables de optimización pueden ser varios. Los más utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero también es posible modificar otros parámetros de diseño como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las síntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada dirección o conformar el haz con formas arbitrarias. Además, es posible minimizar el nivel de los lóbulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El método para el análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito considera un array finito como un array infinito con un número finito de elementos excitados. Los elementos no excitados están físicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simulará mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este método de análisis se integra en la tesis con dos métodos diferentes de síntesis de diagramas de radiación. En el primero de ellos se presenta un método basado en programación lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la dirección deseada, además de ejercer un control sobre los lóbulos secundarios o imponer nulos. Este método es muy eficiente y obtiene soluciones óptimas. El mismo método de análisis es también aplicado a un método de conformación de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de difícil solución) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetría, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este método es posible diseñar diagramas de radiación con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del lóbulo principal, así como en el nivel de los lóbulos secundarios. El método de análisis de arrays basado en la expansión en modos esféricos se integra en la tesis con tres técnicas de síntesis de diagramas de radiación. Se propone inicialmente una síntesis de conformación del haz basado en el método de la recuperación de fase resuelta de forma iterativa mediante métodos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las óptimas de manera eficiente. Dos métodos de síntesis se han propuesto, donde las variables de optimización son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una función de coste basada en la intensidad de radiación, la cual es minimizada de forma iterativa con el método del gradiente. Ambos métodos reducen el nivel de los lóbulos secundarios minimizando una función de coste. El gradiente de la función de coste es obtenido en términos de la variable de optimización en cada método. Esta función de coste está formada por la expresión rigurosa de la intensidad de radiación y por una función de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiación, si así se desea. Por último, se presenta un método en el cual, mediante técnicas de programación entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiación lo más cercano posible al deseado. Con este método se obtienen diseños que minimizan el coste de fabricación. En cada uno de las diferentes técnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los métodos ofrecen. Se comparan los resultados con otros métodos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de síntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.