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.

Modelos de simulação em MATSim aplicados à análise de sistemas de transporte

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

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.

Estimativa do recurso associado a um parque eólico e solução ótima de integração do parque numa rede elétrica do sudeste brasileiro

Um dos objetivos da presente dissertação consiste em estimar o recurso eólico num determinado local com base em dados de velocidade e direção de vento de outro local. Para esta estimativa, é utilizado um método que faz a extrapolação dos dados de vento do local onde as medições de velocidade e direção de vento foram realizadas para o local onde se quer estimar o recurso eólico, permitindo assim fazer uma avaliação da potência disponível que se pode obter para uma dada configuração de turbinas eólicas e tendo em consideração fatores topográficos tais como a rugosidade, orografia da superfície e também obstáculos em redor. Este método foi aplicado usando a ferramenta computacional, Wind Atlas Analysis and Aplication Program (WAsP), de modo a avaliar a potência média de um parque eólico na região de Osório, Brasil. O outro objetivo desta dissertação consiste no estudo e definição da melhor ligação do referido parque eólico à rede elétrica local. Para o efeito e após modelização da rede elétrica foram identificados os reforços de rede necessários na zona que irá receber a nova potência do parque eólico. No estudo em causa foram avaliadas quatro alternativas de ligação do parque eólico à rede. A escolha da melhor alternativa de ligação foi efetuada tendo por base uma análise de relação entre benefício de perdas da rede e custos de reforço da rede local.

Modelação de torre eólica: controlo e desempenho

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

Reabilitação energética de um edifício de serviços

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Synchronization in Von Bertalanffy’s models

Many data have been useful to describe the growth of marine mammals, invertebrates and reptiles, seabirds, sea turtles and fishes, using the logistic, the Gom-pertz and von Bertalanffy's growth models. A generalized family of von Bertalanffy's maps, which is proportional to the right hand side of von Bertalanffy's growth equation, is studied and its dynamical approach is proposed. The system complexity is measured using Lyapunov exponents, which depend on two biological parameters: von Bertalanffy's growth rate constant and the asymptotic weight. Applications of synchronization in real world is of current interest. The behavior of birds ocks, schools of fish and other animals is an important phenomenon characterized by synchronized motion of individuals. In this work, we consider networks having in each node a von Bertalanffy's model and we study the synchronization interval of these networks, as a function of those two biological parameters. Numerical simulation are also presented to support our approaches.

Análise do desempenho da tecnologia 4G LTE

O objectivo deste trabalho passa pelo desenvolvimento de uma ferramenta de simulação dinâmica de recursos rádio em LTE no sentido descendente, com recurso à Framework OMNeT++. A ferramenta desenvolvida permite realizar o planeamento das estações base, simulação e análise de resultados. São descritos os principais aspectos da tecnologia de acesso rádio, designadamente a arquitectura da rede, a codificação, definição dos recursos rádio, os ritmos de transmissão suportados ao nível de canal e o mecanismo de controlo de admissão. Foi definido o cenário de utilização de recursos rádio que inclui a definição de modelos de tráfego e de serviços orientados a pacotes e circuitos. Foi ainda considerado um cenário de referência para a verificação e validação do modelo de simulação. A simulação efectua-se ao nível de sistema, suportada por um modelo dinâmico, estocástico e orientado por eventos discretos de modo a contemplar os diferentes mecanismos característicos da tecnologia OFDMA. Os resultados obtidos permitem a análise de desempenho dos serviços, estações base e sistema ao nível do throughput médio da rede, throughput médio por eNodeB e throughput médio por móvel para além de permitir analisar o contributo de outros parâmetros designadamente, largura de banda, raio de cobertura, perfil dos serviços, esquema de modulação, entre outros. Dos resultados obtidos foi possível verificar que, considerando um cenário com estações base com raio de cobertura de 100 m obteve-se um throughput ao nível do utilizador final igual a 4.69494 Mbps, ou seja, 7 vezes superior quando comparado a estações base com raios de cobertura de 200m.

Neural-network approach to modeling liquid crystals in complex confinement

Finding the structure of a confined liquid crystal is a difficult task since both the density and order parameter profiles are nonuniform. Starting from a microscopic model and density-functional theory, one has to either (i) solve a nonlinear, integral Euler-Lagrange equation, or (ii) perform a direct multidimensional free energy minimization. The traditional implementations of both approaches are computationally expensive and plagued with convergence problems. Here, as an alternative, we introduce an unsupervised variant of the multilayer perceptron (MLP) artificial neural network for minimizing the free energy of a fluid of hard nonspherical particles confined between planar substrates of variable penetrability. We then test our algorithm by comparing its results for the structure (density-orientation profiles) and equilibrium free energy with those obtained by standard iterative solution of the Euler-Lagrange equations and with Monte Carlo simulation results. Very good agreement is found and the MLP method proves competitively fast, flexible, and refinable. Furthermore, it can be readily generalized to the richer experimental patterned-substrate geometries that are now experimentally realizable but very problematic to conventional theoretical treatments.

Neural-network approach to modeling liquid crystals in complex confinement

Finding the structure of a confined liquid crystal is a difficult task since both the density and order parameter profiles are nonuniform. Starting from a microscopic model and density-functional theory, one has to either (i) solve a nonlinear, integral Euler-Lagrange equation, or (ii) perform a direct multidimensional free energy minimization. The traditional implementations of both approaches are computationally expensive and plagued with convergence problems. Here, as an alternative, we introduce an unsupervised variant of the multilayer perceptron (MLP) artificial neural network for minimizing the free energy of a fluid of hard nonspherical particles confined between planar substrates of variable penetrability. We then test our algorithm by comparing its results for the structure (density-orientation profiles) and equilibrium free energy with those obtained by standard iterative solution of the Euler-Lagrange equations and with Monte Carlo simulation results. Very good agreement is found and the MLP method proves competitively fast, flexible, and refinable. Furthermore, it can be readily generalized to the richer experimental patterned-substrate geometries that are now experimentally realizable but very problematic to conventional theoretical treatments.

A stochastic programming approach for the development of offering strategies for a wind power producer

A stochastic programming approach is proposed in this paper for the development of offering strategies for a wind power producer. The optimization model is characterized by making the analysis of several scenarios and treating simultaneously two kinds of uncertainty: wind power and electricity market prices. The approach developed allows evaluating alternative production and offers strategies to submit to the electricity market with the ultimate goal of maximizing profits. An innovative comparative study is provided, where the imbalances are treated differently. Also, an application to two new realistic case studies is presented. Finally, conclusions are duly drawn.

Self-scheduling and bidding strategies of thermal units with stochastic emission constraints

This paper is on the self-scheduling problem for a thermal power producer taking part in a pool-based electricity market as a price-taker, having bilateral contracts and emission-constrained. An approach based on stochastic mixed-integer linear programming approach is proposed for solving the self-scheduling problem. Uncertainty regarding electricity price is considered through a set of scenarios computed by simulation and scenario-reduction. Thermal units are modelled by variable costs, start-up costs and technical operating constraints, such as: forbidden operating zones, ramp up/down limits and minimum up/down time limits. A requirement on emission allowances to mitigate carbon footprint is modelled by a stochastic constraint. Supply functions for different emission allowance levels are accessed in order to establish the optimal bidding strategy. A case study is presented to illustrate the usefulness and the proficiency of the proposed approach in supporting biding strategies. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Stochastic effects in a seasonally forced epidemic model

The interplay of seasonality, the system's nonlinearities and intrinsic stochasticity, is studied for a seasonally forced susceptible-exposed-infective-recovered stochastic model. The model is explored in the parameter region that corresponds to childhood infectious diseases such as measles. The power spectrum of the stochastic fluctuations around the attractors of the deterministic system that describes the model in the thermodynamic limit is computed analytically and validated by stochastic simulations for large system sizes. Size effects are studied through additional simulations. Other effects such as switching between coexisting attractors induced by stochasticity often mentioned in the literature as playing an important role in the dynamics of childhood infectious diseases are also investigated. The main conclusion is that stochastic amplification, rather than these effects, is the key ingredient to understand the observed incidence patterns.

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.