Simulation model for driving dynamics, energy use and power supply

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Aplicação de ferramentas de simulação de processos

Este trabalho foi efectuado com o propósito de interpretar, compreender e explicar algumas ferramentas de simulação de processos, em particular o Aspen Energy Analyzer (AEA), o Aspen Economic Evaluation (AEE) e o seu funcionamento integrado com o Aspen Hysys(AH). O AH é uma ferramenta de modelação de processos para a concepção de projectos de engenharia química, o AEA é uma ferramenta de modelação de redes de integração energética. O AEE integrado no AH é uma ferramenta que permite incorporar estudos económicos numa fase preliminar do desenvolvimento de um projecto de engenharia. A abordagem a este trabalho foi efectuada através do estudo de Casos. O Caso I foi baseado na resolução de um problema no AEA através da construção e optimização de uma rede de permutadores de calor. Os Casos II e III foram baseados na construção de um flowsheet de produção de Benzeno e de Cloreto de Vinil, respectivamente, e cada Caso foi dividido em dois cenários diferentes. Para o efeito foram utilizados os softwares AEA para a integração energética dos processos, o AH para construção do fluxograma do processo e o AEE para os estudos económicos dos diferentes cenários. Finalmente, os Casos IV e V dizem respeito à resolução de um problema de integração energética. O Caso IV foi baseado num problema de optimização da rede de permutadores através do aumento da sua área. Já o Caso V foi baseado na informação inicial das correntes do caso anterior e em dois cenários diferentes, nos quais foi estudada a influência dos preços das utilidades na construção da rede de permutadores. A conclusão foi que as ferramentas de modelação, particularmente o AH, o AEA e o AEE são uma mais-valia extraordinária para ajudar o utilizador na tomada de decisões em fases bastante preliminares da engenharia de processos.

Desenvolvimento do sistema de tracção de um veículo eléctrico ecológico com travagem regenerativa

Nesta dissertação descreve-se uma metodologia de dimensionamento do sistema de tracção para equipar um veículo eléctrico ecológico (VEECO) com inclusão de um sistema de travagem regenerativa. Apresenta-se uma perspectiva geral de diversas topologias de sistemas de tracção utilizadas nos veículos eléctricos e realiza-se a sua comparação através do estudo e análise dos acionamentos electromecânicos que podem ser utilizados nesses sistemas de tracção eléctrica. Utilizando ferramentas de simulação numérica, estuda-se o modelo matemático de um veículo eléctrico com travagem regenerativa. A partir deste modelo matemático é adoptado uma possível configuração para o seu sistema de tracção eléctrica e são obtidas características teóricas de desempenho do veículo eléctrico, através da análise de testes padrão ao veículo. Em banco de ensaios, constrói-se um sistema de tracção eléctrica que permite a validação experimental do modelo matemático do veículo eléctrico. Para a construção deste banco de ensaios foram concebidos os sistemas de tracção eléctrica, de carga mecânica e de controlo e monitorização do banco de ensaios. A validação experimental realiza-se através dos mesmos testes padrão ao veículo eléctrico, como o teste NEDC (New European Driving Cycle), o teste de aceleração entre 0 e 100km/h e o teste de gradeabilidade. Desenvolve-se o dimensionamento do sistema de tracção eléctrica a equipar o VEECO, através da componente de modelação paramétrica do modelo matemático do veículo eléctrico. Com esta metodologia é adoptado um conjunto de variáveis paramétricas relacionadas com os elementos que constituem o sistema de tracção eléctrica do VEECO. Estuda-se a influência destas variáveis paramétricas nas características de desempenho pretendidas para o VEECO. Como resultado da análise de modelação paramétrica é apresentada uma solução para o sistema de tracção eléctrica do VEECO que cumpre a execução do NEDC, apresenta um tempo de aceleração entre 0 e 100km/h inferior a 10 segundos, supera uma gradeabilidade de 10% e uma autonomia de 200 km. O sistema de tracção do VEECO também permite realizar a travagem regenerativa com rendimento até 33%. Possui controlo de tracção e anti bloqueio da roda motora, através de uma unidade de controlo que permite reduzir a potência transmitida ao veio, quando a velocidade da roda de tracção difere do valor de referência da velocidade do veículo. Os conhecimentos adquiridos através do processo de investigação e desenvolvimento, para a realização da presente dissertação permitem apresentar perspectivas de desenvolvimento futuro com aplicação nos sistemas de tracção de veículos eléctricos rodoviários.

Simulação numérica aplicada ao tratamento de efluentes

A existência de estações de tratamentos de águas residuais (ETAR) é, nos dias de hoje, fundamental na medida em que permite, reduzir a poluição ambiental associada às águas e, também, a reutilização da água tratada para diversos fins. A constante necessidade de cumprir os limites de descargas nos meios recetores conduziu a um melhoramento nas técnicas e processos de tratamento de efluentes, nomeadamente, nos processos biológicos. O processo por lamas ativadas é um processo amplamente utilizado para a remoção de poluentes orgânicos presentes nas águas residuais, pelo que um estudo mais intensivo sobre estes tratamentos resultou na publicação de uma série de conceitos e pressupostos, através de modelos numéricos. A modelação numérica de processos de tratamento de águas residuais e a utilização de ferramentas de simulação numérica têm sido largamente utilizadas, a nível mundial, por exemplo em investigação, desenvolvimento de processos, atividade de consultoria e igualmente por entidades reguladoras, na medida em que os auxiliam no planeamento, dimensionamento e análise do comportamento de infraestruturas de tratamento. No presente trabalho, recorreu-se ao software de simulação GPS-X (versão 6.0) para implementar o esquema de tratamento da ETAR de Beirolas. O objetivo deste trabalho é verificar a aplicabilidade de modelos numéricos na simulação de unidades de tratamento de efluentes e avaliar a resposta dos diferentes modelos, assim como a influência na alteração de características das águas afluentes no comportamento dos modelos. Os resultados obtidos permitiram concluir que os modelos numéricos podem ser utilizados para prever a resposta dos sistemas biológicos e as suas perturbações. Conclui-se ainda que o comportamento, dos modelos estudados (ASM1, ASM2d, ASM3 e mantis), é semelhante, contudo deve-se referir que devido à complexidade do modelo e a falta de informação experimental sobre as características do efluente, não permitiram efetuar uma completa caracterização e calibração do caso de estudo, e toda a informação disponível sobre as características físico-químicas da água foram baseadas em estimativas de concentrações de carências de oxigénio e sólidos suspensos.

Automatic synthesis of VHDL Hardware Components from IOPT Petri Net models

Conferência: 39th Annual Conference of the IEEE Industrial-Electronics-Society (IECON), Vienna, Austria, Nov 10-14, 2013

Distributed controllers modeling through Petri nets with multi-asynchronous-channels

This paper proposes the concept of multi-asynchronous-channel for Petri nets. Petri nets extended with multi-asynchronous-channels and time-domains support the specification of distributed controllers, where each controller has a synchronous execution but the global system is asynchronous (globally-asynchronous locally-synchronous systems). Each multi-asynchronous-channel specify the interaction between two or more distributed controllers. These channels, together with the time-domain concept, ensure the creation of network-independent models to support implementations using heterogeneous communication networks. The created models support not only the systems documentation but also their validation and implementation through simulation tools, verification tools, and automatic code generators. An application example illustrates the use of a Petri net class extended with the proposed channels. © 2015 IEEE.

TRFS: desenvolvimento de um protótipo para simulação microscópica de tráfego

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Vias de Comunicação e Transportes

Tsunami vulnerability assessment of Casablanca-Morocco using numerical modelling and GIS tools

Earthquakes and tsunamis along Morocco's coasts have been reported since historical times. The threat posed by tsunamis must be included in coastal risk studies. This study focuses on the tsunami impact and vulnerability assessment of the Casablanca harbour and surrounding area using a combination of tsunami inundation numerical modelling, field survey data and geographic information system. The tsunami scenario used here is compatible with the 1755 Lisbon event that we considered to be the worst case tsunami scenario. Hydrodynamic modelling was performed with an adapted version of the Cornell Multigrid Coupled Tsunami Model from Cornell University. The simulation covers the eastern domain of the Azores-Gibraltar fracture zone corresponding to the largest tsunamigenic area in the North Atlantic. The proposed vulnerability model attempts to provide an insight into the tsunami vulnerability of building stock. Results in the form of a vulnerability map will be useful for decision makers and local authorities in preventing the community resiliency for tsunami hazards.

Using Modern Tools to Explain the Use of the Smith Chart

The concept of explaining the use of an old tool like the Smith chart, using modern tools like MATLAB [1] scripts in combination with e-learning facilities, is exemplified by two MATLAB scripts. These display, step by step, the graphical procedure that must be used to solve the double-stub impedance-matching problem. These two scripts correspond to two different possible ways to analyze this matching problem, and they are important for students to learn by themselves.

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.

Estratégias para negociação de contratos bilaterais em mercados multi-agente de energia eléctrica

A energia eléctrica é um bem essencial para a maioria das sociedades. O seu fornecimento tem sido encarado como um serviço público, da responsabilidade dos governos, através de empresas monopolistas, públicas e privadas. O Mercado Ibérico de Electricidade (MIBEL) surge com o objectivo da integração e cooperação do sector eléctrico Português e Espanhol, no qual é possível negociar preços e volumes de energia. Actualmente, as entidades podem negociar através de um mercado bolsista ou num mercado de contratos bilaterais. Uma análise dos mercados de electricidade existentes mostra que estes estão longe de estarem liberalizados. As tarifas não reflectem o efeito da competitividade. Além disso, o recurso a contratos bilaterais limita frequentemente os clientes a um único fornecedor de energia eléctrica. Nos últimos anos, têm surgido uma série de ferramentas computacionais que permitem simular, parte ou a totalidade, dos mercados de electricidade. Contudo, apesar das suas potencialidades, muitos simuladores carecem de flexibilidade e generalidade. Nesta perspectiva, esta dissertação tem como principal objectivo o desenvolvimento de um simulador de mercados de energia eléctrica que possibilite lidar com as dificuldades inerentes a este novo modelo de mercado, recorrendo a agentes computacionais autónomos. A dissertação descreve o desenho e a implementação de um simulador simplificado para negociação de contratos bilaterais em mercados de energia, com particular incidência para o desenho das estratégias a utilizar pelas partes negociais. Além disso, efectua-se a descrição de um caso prático, com dados do MIBEL. Descrevem-se também várias simulações computacionais, envolvendo retalhistas e consumidores de energia eléctrica, que utilizam diferentes estratégias negociais. Efectua-se a análise detalhada dos resultados obtidos. De forma sucinta, os resultados permitem concluir que as melhores estratégias para cada entidade, no caso prático estudado, são: a estratégia de concessões fixas, para o retalhista, e a estratégia de concessões baseada no volume de energia, para o consumidor.

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.