Modeling, control and simulation of full-power converter wind turbines equipped with permanent magnet synchronous generator

In this paper, two wind turbines equipped with a permanent magnet synchronous generator (PMSG) and respectively with a two-level or a multilevel converter are simulated in order to access the malfunction transient performance. Three different drive train mass models, respectively, one, two and three mass models, are considered in order to model the bending flexibility of the blades. Moreover, a fractional-order control strategy is studied comparatively to a classical integer-order control strategy. Computer simulations are carried out, and conclusions about the total harmonic distortion (THD) of the electric current injected into the electric grid are in favor of the fractional-order control strategy.

Power converter topologies for wind energy conversion systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation

This paper presents new integrated model for variable-speed wind energy conversion systems, considering a more accurate dynamic of the wind turbine, rotor, generator, power converter and filter. Pulse width modulation by space vector modulation associated with sliding mode is used for controlling the power converters. Also, power factor control is introduced at the output of the power converters. Comprehensive performance simulation studies are carried out with matrix, two-level and multilevel power converter topologies in order to adequately assert the system performance. Conclusions are duly drawn.

Estudo da viabilidade de um processo de captura do dióxido de carbono emitido em gases de combustão

O presente trabalho descreve o estudo da viabilidade económica de implementar um processo de absorção química com monoetanolamina (MEA) numa central termoeléctrica, visando a captura de CO2 dos gases de exaustão da mesma, dado que na indústria, o sector de produção de energia eléctrica é o principal responsável pela emissão de CO2 para a atmosfera. A central em foco foi a TER (Central Termoeléctrica do Ribatejo) devido à quantidade de gases emitidos e ao teor em CO2 dos mesmos, além de ser a responsável por cerca de 18% da energia eléctrica em Portugal. O processo em causa ocorre em pós-combustão, dado tratar-se de uma central já existente, e engloba a absorção química com MEA, seguida de stripping, com remoção do CO2 e recirculação da MEA. Este sistema foi testado recorrendo a um modelo de simulação desenvolvido por T. Greer, na sua tese de mestrado ao tema “Modeling and simulation of post combustion CO2 capturing” com base em Matlab. De acordo com o disposto sobre o Comércio Europeu de Licenças de Emissão (CELE), para o período de 2008-2012, foi atribuído à TER um limite de emissão de 1.423.103 ton CO2/ano. Sendo esta responsável pela emissão anual de cerca de 2X106 toneladas, determinou-se um encargo de 17.277.000 € anuais por incumprimento. Os custos de implementação deste processo estimam-se, para um período de amortização de 5 anos, em 6.546.758€, e permitiria a captação de 78,7% do CO2 emitido. As taxas respeitantes ao incumprimento ficariam reduzidas a 13.597.020€; o que significa que, com a implementação desta tecnologia, se conseguirá uma economia de: 17.277.000 - 13.597.020 = 3.679.980 €/ano. Estes valores foram calculados de acordo com o valor cotado da tonelada de CO2 para 2008 de 30 euros/ton. No período de amortização considerado, 5 anos, obtém-se uma economia de 18.399.900 €, sendo possível amortizar totalmente o investimento efectuado com a unidade de captura de CO2 sendo economicamente viável a sua implementação.

A gestão do risco associado à negociação de energia eléctrica através de contratos bilaterais e mercado spot

Num mercado de electricidade competitivo onde existe um ambiente de incerteza, as empresas de geração adoptam estratégias que visam a maximização do lucro, e a minimização do risco. Neste contexto, é de extrema importância para desenvolver uma estratégia adequada de gestão de risco ter em conta as diferentes opções de negociação de energia num mercado liberalizado, de forma a suportar a tomada de decisões na gestão de risco. O presente trabalho apresenta um modelo que avalia a melhor estratégia de um produtor de energia eléctrica que comercializa num mercado competitivo, onde existem dois mercados possíveis para a transacção de energia: o mercado organizado (bolsa) e o mercado de contratos bilaterais. O produtor tenta maximizar seus lucros e minimizar os riscos correspondentes, seleccionando o melhor equilíbrio entre os dois mercados possíveis (bolsa e bilateral). O mercado de contratos bilaterais visa gerir adequadamente os riscos inerentes à operação de mercados no curto prazo (mercado organizado) e dar o vendedor / comprador uma capacidade real de escolher o fornecedor com que quer negociar. O modelo apresentado neste trabalho faz uma caracterização explícita do risco no que diz respeito ao agente de mercado na questão da sua atitude face ao risco, medido pelo Value at Risk (VaR), descrito neste trabalho por Lucro-em-Risco (PAR). O preço e os factores de risco de volume são caracterizados por um valor médio e um desvio padrão, e são modelizados por distribuições normais. Os resultados numéricos são obtidos utilizando a simulação de Monte Carlo implementado em Matlab, e que é aplicado a um produtor que mantém uma carteira diversificada de tecnologias de geração, para um horizonte temporal de um ano. Esta dissertação está organizada da seguinte forma: o capítulo 1, 2 e 3 descrevem o estado-da-arte relacionado com a gestão de risco na comercialização de energia eléctrica. O capítulo 4 descreve o modelo desenvolvido e implementado, onde é também apresentado um estudo de caso com uma aplicação do modelo para avaliar o risco de negociação de um produtor. No capítulo 5 são apresentadas as principais conclusões.

Planeamento e optimização em redes celulares móveis auto-geridas assentes em LTE

O objectivo deste trabalho consiste em avaliar os benefícios das Self Organizing Networks (SON), no que concerne ao planeamento e optimização de redes Long Term Evolution (LTE), não só através do seu estudo, como também através do desenvolvimento e teste de algoritmos, que permitem avaliar o funcionamento de algumas das suas principais funções. O estudo efectuado sobre as SON permitiu identificar um conjunto de funções, tais como a atribuição automática de Physical Cell Id (PCI), o Automatic Neighbour Relation (ANR) e a optimização automática de parâmetros de handover, que permitem facilitar ou mesmo substituir algumas das tarefas mais comuns em planeamento e optimização de redes móveis celulares, em particular, redes LTE. Recorrendo a um simulador LTE destinado à investigação académica, em código aberto e desenvolvido em Matlab®, foi desenvolvido um conjunto de algoritmos que permitiram a implementação das funções em questão. Para além das funções implementadas, foram também introduzidas alterações que conferem a este simulador a capacidade de representar e simular redes reais, permitindo uma análise mais coerente dos algoritmos desenvolvidos. Os resultados obtidos, para além de evidenciarem claramente o benefício dos algoritmos desenvolvidos, foram ainda comparados com os obtidos pela ferramenta profissional de planeamento e optimização Atoll®, tendo-se verificado a franca proximidade de desempenho em algumas das funções. Finalmente, foi desenvolvida uma interface gráfica que permite o desenho, configuração e simulação de cenários, bem como a análise de resultados.

Conversor multinível NPC de cinco níveis como ondulador de tensão ligado à rede

O crescimento da utilização de accionamentos electromecânicos de velocidade variável entre outros dispositivos que necessitam de tensões elevadas, na ordem dos kV e com elevados níveis de qualidade, despertou o interesse pelos conversores multinível. Este tipo de conversor consegue alcançar elevadas tensões de funcionamento e simultaneamente melhorar a qualidade das formas de onda de tensão e corrente nas respectivas fases. Esta dissertação de mestrado tem por objectivo apresentar um estudo sobre o conversor multinível com díodos de ligação ao neutro (NPC – neutral point clamped), de cinco níveis utilizado como ondulador de tensão ligado à rede. O trabalho começa por desenvolver o modelo matemático do conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva interligação com a rede eléctrica. Com base no modelo do conversor são realizadas simulações numéricas desenvolvidas em Matlab-Simulink. Para controlo do trânsito de energia no conversor é utilizando controlo por modo de deslizamento aplicado às correntes nas fases. As simulações efectuadas são comparadas com resultados de simulação obtidos para um ondulador clássico de dois níveis. Resultados de simulação do conversor multinível são posteriormente comparados com resultados experimentais para diferentes valores de potências activa e reactiva. Foi desenvolvido um protótipo experimental de um conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva electrónica associada para comando e disparo dos semicondutores de potência.

Fractional-order control and simulation of wind energy systems with PMSG/full-power converter topology

This paper presents a new integrated model for the simulation of wind energy systems. The proposed model is more realistic and accurate, considering a variable-speed wind turbine, two-mass rotor, permanent magnet synchronous generator (PMSG), different power converter topologies, and filters. Additionally, a new control strategy is proposed for the variable-speed operation of wind turbines with PMSG/full-power converter topology, based on fractional-order controllers. Comprehensive simulation studies are carried out with matrix and multilevel power converter topologies, in order to adequately assert the system performance in what regards the quality of the energy injected into the electric grid. Finally, conclusions are duly drawn.

Simulation of defects in bubble clusters

Topological defects in foam, either isolated (disclinations and dislocations) or in pairs, affect the energy and stress, and play an important role in foam deformation. Surface Evolver simulations were performed on large finite clusters of bubbles. These allow us to evaluate the effect of the topology of the defects, and the distance between defects, on the energy and pressure of foam clusters of different sizes. The energy of such defects follows trends similar to known analytical results for a continuous medium.

A simulation study on the abatement of CO2 emissions by de-absorption with monoethanolamine

Because of the adverse effect of CO2 from fossil fuel combustion on the earth's ecosystems, the most cost-effective method for CO2 capture is an important area of research. The predominant process for CO2 capture currently employed by industry is chemical absorption in amine solutions. A dynamic model for the de-absorption process was developed with monoethanolamine (MEA) solution. Henry's law was used for modelling the vapour phase equilibrium of the CO2, and fugacity ratios calculated by the Peng-Robinson equation of state (EOS) were used for H2O, MEA, N-2 and O-2. Chemical reactions between CO2 and MEA were included in the model along with the enhancement factor for chemical absorption. Liquid and vapour energy balances were developed to calculate the liquid and vapour temperature, respectively.

Transport properties in microcrystalline silicon solar cells under AM1.5 illumination analysed by two-dimensional numerical simulation

Microcrystalline silicon is a two-phase material. Its composition can be interpreted as a series of grains of crystalline silicon imbedded in an amorphous silicon tissue, with a high concentration of dangling bonds in the transition regions. In this paper, results for the transport properties of a mu c-Si:H p-i-n junction obtained by means of two-dimensional numerical simulation are reported. The role played by the boundary regions between the crystalline grains and the amorphous matrix is taken into account and these regions are treated similar to a heterojunction interface. The device is analysed under AM1.5 illumination and the paper outlines the influence of the local electric field at the grain boundary transition regions on the internal electric configuration of the device and on the transport mechanism within the mu c-Si:H intrinsic layer.

Simulation of default events in a CDX and estimation of the spread

The portfolio generating the iTraxx EUR index is modeled by coupled Markov chains. Each of the industries of the portfolio evolves according to its own Markov transition matrix. Using a variant of the method of moments, the model parameters are estimated from a data set of Standard and Poor's. Swap spreads are evaluated by Monte-Carlo simulations. Along with an actuarially fair spread, at least squares spread is considered.

Simulation of the Magnetic Induction Vector of a Magnetic Core to be Used in FFC NMR Relaxometry

This paper is a contribution for the assessment and comparison of magnet properties based on magnetic field characteristics particularly concerning the magnetic induction uniformity in the air gaps. For this aim, a solver was developed and implemented to determine the magnetic field of a magnetic core to be used in Fast Field Cycling (FFC) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry. The electromagnetic field computation is based on a 2D finite-element method (FEM) using both the scalar and the vector potential formulation. Results for the magnetic field lines and the magnetic induction vector in the air gap are presented. The target magnetic induction is 0.2 T, which is a typical requirement of the FFC NMR technique, which can be achieved with a magnetic core based on permanent magnets or coils. In addition, this application requires high magnetic induction uniformity. To achieve this goal, a solution including superconducting pieces is analyzed. Results are compared with a different FEM program.

Analysis and simulation of a-Si Ha-SiC HPINIP structures for color image detection

It is presented in this paper a study on the photo-electronic properties of multi layer a-Si: H/a-SiC: H p-i-n-i-p structures. This study is aimed to give an insight into the internal electrical characteristics of such a structure in thermal equilibrium, under applied Was and under different illumination condition. Taking advantage of this insight it is possible to establish a relation among-the electrical behavior of the structure the structure geometry (i.e. thickness of the light absorbing intrinsic layers and of the internal n-layer) and the composition of the layers (i.e. optical bandgap controlled through percentage of carbon dilution in the a-Si1-xCx: H layers). Showing an optical gain for low incident light power controllable by means of externally applied bias or structure composition, these structures are quite attractive for photo-sensing device applications, like color sensors and large area color image detector. An analysis based on numerical ASCA simulations is presented for describing the behavior of different configurations of the device and compared with experimental measurements (spectral response and current-voltage characteristic). (c) 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Monte Carlo simulation of the basic features of the GE Millennium MG single photon emission computed tomography gamma camera

Objective - To describe and validate the simulation of the basic features of GE Millennium MG gamma camera using the GATE Monte Carlo platform. Material and methods - Crystal size and thickness, parallel-hole collimation and a realistic energy acquisition window were simulated in the GATE platform. GATE results were compared to experimental data in the following imaging conditions: a point source of 99mTc at different positions during static imaging and tomographic acquisitions using two different energy windows. The accuracy between the events expected and detected by simulation was obtained with the Mann–Whitney–Wilcoxon test. Comparisons were made regarding the measurement of sensitivity and spatial resolution, static and tomographic. Simulated and experimental spatial resolutions for tomographic data were compared with the Kruskal–Wallis test to assess simulation accuracy for this parameter. Results - There was good agreement between simulated and experimental data. The number of decays expected when compared with the number of decays registered, showed small deviation (≤0.007%). The sensitivity comparisons between static acquisitions for different distances from source to collimator (1, 5, 10, 20, 30cm) with energy windows of 126–154 keV and 130–158 keV showed differences of 4.4%, 5.5%, 4.2%, 5.5%, 4.5% and 5.4%, 6.3%, 6.3%, 5.8%, 5.3%, respectively. For the tomographic acquisitions, the mean differences were 7.5% and 9.8% for the energy window 126–154 keV and 130–158 keV. Comparison of simulated and experimental spatial resolutions for tomographic data showed no statistically significant differences with 95% confidence interval. Conclusions - Adequate simulation of the system basic features using GATE Monte Carlo simulation platform was achieved and validated.

Estudo e otimização de uma pilha de combustível de pequena potência (10W) e sua integração em equipamento portátil

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica