A hybrid PSO-ANFIS approach for short-term wind power prediction in Portugal

The increased integration of wind power into the electric grid, as nowadays occurs in Portugal, poses new challenges due to its intermittency and volatility. Wind power prediction plays a key role in tackling these challenges. The contribution of this paper is to propose a new hybrid approach, combining particle swarm optimization and adaptive-network-based fuzzy inference system, for short-term wind power prediction in Portugal. Significant improvements regarding forecasting accuracy are attainable using the proposed approach, in comparison with the results obtained with five other approaches.

Electromagnetic transients analysis of lightning overvoltages on wind power plants

As wind power generation undergoes rapid growth, lightning and overvoltage incidents involving wind power plants have come to be regarded as a serious problem. Firstly, lightning location systems are discussed, as well as important parameters regarding lightning protection. Also, this paper presents a case study, based on a wind turbine with an interconnecting transformer, for the study of adequate lightning and overvoltage protection measures. The electromagnetic transients circuit under study is described, and computational results are presented.

Direct Power Control of Matrix Converter Based Unified Power Flow Controllers

This paper presents the Direct Power Control of Three-Phase Matrix Converters (DPC-MC) operating as Unified Power Flow Controllers (UPFC). Since matrix converters allow direct AC/AC power conversion without intermediate energy storage link, the resulting UPFC has reduced volume and cost, together with higher reliability. Theoretical principles of DPC-MC method are established based on an UPFC model, together with a new direct power control approach based on sliding mode control techniques. As a result, active and reactive power can be directly controlled by selection of an appropriate switching state of matrix converter. This new direct power control approach associated to matrix converters technology guarantees decoupled active and reactive power control, zero error tracking, fast response times and timely control actions. Simulation results show good performance of the proposed system.

Risk Aversion in a Mixed-Integer Nonlinear Approach to Support Decision-Making for a Hydro Power Producer

In this paper, a mixed-integer nonlinear approach is proposed to support decision-making for a hydro power producer, considering a head-dependent hydro chain. The aim is to maximize the profit of the hydro power producer from selling energy into the electric market. As a new contribution to earlier studies, a risk aversion criterion is taken into account, as well as head-dependency. The volatility of the expected profit is limited through the conditional value-at-risk (CVaR). The proposed approach has been applied successfully to solve a case study based on one of the main Portuguese cascaded hydro systems.

Stability Condition Based Sliding Mode Modulators for Multilevel Power Converters

Sliding mode controllers for power converters usually employ hysteresis comparators to directly generate the power semiconductors switching states. This paper presents a new sliding mode modulator based on the direct implementation of the sliding mode stability condition, which for multilevel power converters shows advantages, as branch equalized switching frequencies and less distortion on the ac currents when operating near the rated converter power. The new sliding mode multilevel modulator is used to control a three-phase multilevel converter, operated as a reactive power compensator (STATCOM), implementing the stability condition in a digital signal processing system. The performance of this new sliding mode modulator is compared with a multilevel modulator based on hysteresis comparators. Simulation and experimental results are presented in order to highlight the system operation and control robustness.

Limiting Internal Supply Voltage Spikes in DC-DC Converters

Implementing monolithic DC-DC converters for low power portable applications with a standard low voltage CMOS technology leads to lower production costs and higher reliability. Moreover, it allows miniaturization by the integration of two units in the same die: the power management unit that regulates the supply voltage for the second unit, a dedicated signal processor, that performs the functions required. This paper presents original techniques that limit spikes in the internal supply voltage on a monolithic DC-DC converter, extending the use of the same technology for both units. These spikes are mainly caused by fast current variations in the path connecting the external power supply to the internal pads of the converter power block. This path includes two parasitic inductances inbuilt in bond wires and in package pins. Although these parasitic inductances present relative low values when compared with the typical external inductances of DC-DC converters, their effects can not be neglected when switching high currents at high switching frequency. The associated overvoltage frequently causes destruction, reliability problems and/or control malfunction. Different spike reduction techniques are presented and compared. The proposed techniques were used in the design of the gate driver of a DC-DC converter included in a power management unit implemented in a standard 0.35 mu m CMOS technology.

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.

A Pitch Control Malfunction Analysis for Wind Turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator and Full-power Converters: Proportional Integral Versus Fractional-order Controllers

A transient analysis for two full-power converter wind turbines equipped with a permanent magnet synchronous generator is studied in this article, taking into consideration, as a new contribution to earlier studies, a pitch control malfunction. The two full-power converters considered are, respectively, a two-level and a multi-level converter. Moreover, a novel control strategy based on fractional-order controllers for wind turbines is studied. Simulation results are presented; conclusions are in favor of the novel control strategy, improving the quality of the energy injected into the electric grid.

Concepção de uma pequena turbina eólica destinada ao segmento doméstico (simplificação e análise aerodinâmica das pás)

O trabalho que se apresenta incide sobre o estudo aerodinâmico das pás de uma turbina eólica de pequeno porte, com vista à simplificação geométrica, de forma a que estas sejam baratas e de fácil concepção. A teoria da quantidade de movimento do elemento de pá (BEMT), que é o modelo de referência para o projecto e análise aerodinâmica das pás das turbinas eólicas, foi utilizada neste trabalho de forma a projectar e analisar aerodinamicamente as pás da turbina. Sendo assim, desenvolveu-se um programa computacional em MATLAB, denominado de “Turbina”, de forma a implementar a teoria BEM. Introduzindo os dados dos parâmetros de projecto no programa (potência requerida, o número de pás, velocidade do vento, a TSR e o tipo de perfil alar), obtêm-se os parâmetros geométricos das pás (distribuição da corda ao longo da envergadura, o raio da pá e a distribuição da torção da pá), os parâmetros aerodinâmicos e de desempenho. Uma pá ideal foi calculada e de seguida foi modificada de forma a obter-se uma pá simples e menos carregada aerodinamicamente. Introduzidas as modificações na geometria da pá ideal, obtiveram-se duas configurações distintas. Uma configuração linear, onde a distribuição da corda e do ângulo de torção se tornam lineares, e outra configuração bi-linear, onde a distribuição da corda continua linear mas o ângulo de torção se torna bi-linear, isto é, a pá é composta por dois troços onde cada troço apresenta uma distribuição linear do ângulo de torção geométrica. As conclusões demonstram que a configuração bi-linear é uma boa alternativa a configuração ideal, apresentando uma redução do desempenho do rotor de 2.8% para um aumento do raio da pá em 1.41%, para se obter a mesma potência da configuração ideal. A análise aos perfis alares, utilizados neste trabalho, foi efectuada a partir dos programas comerciais ICEM e FLUENT. De forma a automatizar a análise de CFD, três programas foram desenvolvidos utilizando a linguagem de programação “C”. Os programas são denominados de “Malha2D”, “Calcula_Coeficientes” e “Plot_Graficos”. Finalmente, um estudo paramétrico foi feito de forma a avaliar a influências das variáveis de projecto no desempenho geral da turbina.

O impacto energético e as emissões de CO2 dos veículos eléctricos em Portugal

Para a diminuição da dependência energética de Portugal face às importações de energia, a Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE 2020) define uma aposta na produção de energia a partir de fontes renováveis, na promoção da eficiência energética tanto nos edifícios como nos transportes com vista a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa. No campo da eficiência energética, o ENE 2020 pretende obter uma poupança energética de 9,8% face a valores de 2008, traduzindo-se em perto de 1800 milhões de tep já em 2015. Uma das medidas passa pela aposta na mobilidade eléctrica, onde se prevê que os veículos eléctricos possam contribuir significativamente para a redução do consumo de combustível e por conseguinte, para a redução das emissões de CO2 para a atmosfera. No entanto, esta redução está condicionada pelas fontes de energia utilizadas para o abastecimento das baterias. Neste estudo foram determinados os consumos de combustível e as emissões de CO2 de um veículo de combustão interna adimensional representativo do parque automóvel. É também estimada a previsão de crescimento do parque automóvel num cenário "Business-as-Usual", através dos métodos de previsão tecnológica para o horizonte 2010-2030, bem como cenários de penetração de veículos eléctricos para o mesmo período com base no método de Fisher- Pry. É ainda analisado o impacto que a introdução dos veículos eléctricos tem ao nível dos consumos de combustível, das emissões de dióxido de carbono e qual o impacto que tal medida terá na rede eléctrica, nomeadamente no diagrama de carga e no nível de emissões de CO2 do Sistema Electroprodutor Nacional. Por fim, é avaliado o impacto dos veículos eléctricos no diagrama de carga diário português, com base em vários perfis de carga das baterias. A introdução de veículos eléctricos em Portugal terá pouca expressão dado que, no melhor dos cenários haverão somente cerca de 85 mil unidades em circulação, no ano de 2030. Ao nível do consumo de combustíveis rodoviários, os veículos eléctricos poderão vir a reduzir o consumo de gasolina até 0,52% e até 0,27% no consumo de diesel, entre 2010 e 2030, contribuindo ligeiramente uma menor dependência energética externa. Ao nível do consumo eléctrico, o abastecimento das baterias dos veículos eléctricos representará até 0,5% do consumo eléctrico total, sendo que parte desse abastecimento será garantido através de centrais de ciclo combinado a gás natural. Apesar da maior utilização deste tipo de centrais térmicas para produção de energia, tanto para abastecimento das viaturas eléctricas, como para o consumo em geral, verifica-se que em 2030, o nível de emissões do sistema electroprodutor será cerca de 46% inferior aos níveis registados em 2010, prevendo-se que atinja as 0,163gCO2/kWh produzido pelo Sistema Electroprodutor Nacional devido à maior quota de produção das fontes de energia renovável, como o vento, a hídrica ou a solar.

A energia das ondas e o seu aproveitamento

As crises energéticas surgidas no decorrer do último século, incluindo a crise do petróleo, obrigaram o Homem a procurar cada vez mais fontes de energia alternativas e preferencialmente inesgotáveis. Desta situação, resultou uma forte aposta na exploração das fontes de energias renováveis, que são uma das principais alternativas para responder a um aumento de procura, e também, face às exigências de consumos actuais, beneficiando de ao se apostar numa energia limpa e renovável existir uma forte redução nos impactes ambientais que outras fontes de energia não apresentam. O aproveitamento dos recursos provenientes de fontes de energia renováveis para a produção de energia já existe há vários anos, e, em alguns casos, atingiram já um estado de maturidade considerável, como é caso da energia eólica. Em comparação, o mesmo já não acontece com a energia das ondas. Embora o oceano apresente um recurso com enorme potencial para ser explorado, incluindo as ondas e correntes oceânicas, os dispositivos tecnológicos necessários para a exploração deste recurso encontram-se maioritariamente ainda em fase experimental, havendo casos pontuais que atingiram a fase pré-comercial. Assim, não existe até à data um dispositivo padrão para a exploração da energia das ondas em grande escala, contrariamente ao que acontece com a energia eólica. Para esta situação, contribuiu o elevado número de dispositivos patenteados para a exploração da energia das ondas, nenhum deles com vantagens significativas relativamente a outros, e também, devido ao facto de a exploração deste tipo de energia não poder ser feito de igual modo na costa ou a muitos quilómetros dela. Na presente dissertação são apresentados alguns dos principais dispositivos existentes para a extracção de energia proveniente das ondas oceânicas, com especial atenção para os dispositivos de coluna de água oscilante.

An artificial neural network approach for short-term wind power forecasting in Portugal

This paper presents an artificial neural network approach for short-term wind power forecasting in Portugal. The increased integration of wind power into the electric grid, as nowadays occurs in Portugal, poses new challenges due to its intermittency and volatility. Hence, good forecasting tools play a key role in tackling these challenges. The accuracy of the wind power forecasting attained with the proposed approach is evaluated against persistence and ARIMA approaches, reporting the numerical results from a real-world case study.

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.

Power Electronics Didactic Modules for Direct Current Machine Control

Several didactic modules for an electric machinery laboratory are presented. The modules are dedicated for DC machinery control and get their characteristic curves. The didactic modules have a front panel with power and signal connectors and can be configurable for any DC motor type. The three-phase bridge inverter proposed is one of the most popular topologies and is commercially available in power package modules. The control techniques and power drives were designed to satisfy static and dynamic performance of DC machines. Each power section is internally self-protected against misconnections and short-circuits. Isolated output signals of current and voltage measurements are also provided, adding versatility for use either in didactic or research applications. The implementation of such modules allowed experimental confirmation of the expected performance.