Use of STATCOM in wind farms with fixed-speed generators for grid code compliance

The increasing penetration of wind energy into power systems has pushed grid operators to set new requirements for this kind of generating plants in order to keep acceptable and reliable operation of the system. In addition to the low voltage ride through capability, wind farms are required to participate in voltage support, stability enhancement and power quality improvement. This paper presents a solution for wind farms with fixed-speed generators based on the use of STATCOM with braking resistor and additional series impedances, with an adequate control strategy. The focus is put on guaranteeing the grid code compliance when the wind farm faces an extensive series of grid disturbances.

Even-sowing pattern strategies for a low-input agricultural system in forage maize

The objective of this study was to verify the effectiveness of new patterns of sowing and to achieve a low-input organic system in two different environments (northern and southern Europe). The study was motivated by the hypothesis that more even sowing patterns (triangular and square) would significantly enhance the growth and yield of forage maize under widely varying conditions, compared with traditional mechanised rectangular seed patterns. An experiment was conducted in Madrid and duplicated in Copenhagen during 2010. A random block design was used with a 2 × 2 factorial arrangement based on two seed-sowing patterns: traditional (rectangular) and new (even) and two weed-management conditions (herbicide use and a low-input system). In both weed-management conditions and locations, the production of aerial maize biomass was greater for the new square seed patterns. In addition, the new pattern showed a greater effectiveness in the control of weeds, both at the initial crop stages (36 and 33% fewer weeds m-2 at the 4- and 8-leaf stages, respectively, in the Copenhagen field experiment) and at the final stage. The final weed biomass for the new pattern was 568 kg ha-1 lower for the Copenhagen experiment and 277 kg ha-1 lower in Madrid field experiments. In the light of these results, the new pattern could potentially reduce the use of herbicides. The results of the experiments support the hypothesis formulated at the beginning of this study that even-sowing patterns would be relatively favourable for the growth and yield of the maize crop. In the near future, new machinery could be used to achieve new seed patterns for the optimisation of biomass yield under low-input systems. This approach is effective because it promotes natural crop-weed competition.

Análisis de la influencia del régimen de neutro en la compatibilidad electromagnética en edificios hospitalarios y propuesta de una nueva técnica correctora

La presente tesis aborda el estudio de los distintos regímenes de neutro de las instalaciones de baja tensión, comúnmente llamados sistemas de puesta a tierra, desde un doble punto de vista, con el objetivo final de establecer un estándar justificado para un posterior desarrollo normativo, y de diseño que facilite la operación y funcionamiento de la instalación eléctrica y de comunicaciones en los sistemas hospitalarios. En una primera parte de la tesis se detallará que aunque hay muchos estudios teórico-prácticos sobre la elección del régimen de neutro en base a criterios operativos y puramente eléctricos, criterios como seguridad frente a accidentes eléctricos, o en términos de disponibilidad, mantenimiento o fiabilidad, esas recomendaciones no se han trasladado de manera directa a la legislación española salvo en el caso de Salas de Intervención donde se obliga a un sistema IT. Por eso se justificará como una primera técnica correctora de un inadecuado funcionamiento electromagnético en Hospitales el establecer una propuesta de marco normativo donde se fijen los tipos de puesta a tierra en función del uso y tipología del edificio desde un punto de vista eléctrico Por otra parte, la influencia de los distintos regímenes de neutro en la transmisión de señales (compatibilidad magnética) no ha sido estudiada en toda su profundidad, no existiendo ni marco normativo obligado ni estudios en profundidad sobre estas afecciones. Por tanto y en una segunda parte de la tesis se propondrá como medida correctora para mejorar el funcionamiento electromagnético de un hospital qué el régimen de neutro TN-S es más respetuoso con el funcionamiento de los equipos de electromedicina que alberga en su interior, estableciendo así mismo una propuesta de norma que regule este diseño. En definitiva se justifica que es posible generar por diseño inicial de la red eléctrica, mediante un régimen de neutro TN-S, un contexto electromagnético óptimo para el funcionamiento del sistema hospitalario que no se logra con otras opciones contempladas en la normativa española. ABSTRACT This thesis deals with the study of various ground grid systems of low voltage installations, commonly called grounding systems, from two points of view, with the ultimate goal of establishing a standard justified from a policy perspective and design to facilitate the operation and functioning of the electrical system and hospital communications systems. In the first part of the thesis will be detailed that although there are many theoretical and practical studies on the choice of the neutral system based on operational criteria and purely electric, criteria such as safety against electrical accidents, or in terms of availability, maintenance and reliability, these recommendations have not been transferred directly to the Spanish legislation except in Intervention Rooms where a IT system is required. So be justified as a first corrective technique improper operation electromagnetic Hospitals proposal to establish a regulatory framework where ground types depending on the use and type of building are set from an electrical point of view . Moreover, the influence of the different regimes neutral signaling (magnetic compatibility) has not been studied in any depth, there being neither forced nor depth studies on these conditions regulatory framework. Thus in a second part of the thesis will be justified as a corrective measure to improve the electromagnetic performance of a hospital which the neutral TN-S is more respectful of the performance of medical electrical equipment housed in its interior, thus establishing same a proposed rule governing this design. Ultimately it is possible to generate justified by initial design of the grid, using a neutral system TN-S, electromagnetic optimal context for the operation of the hospital system is not achieved with other legal options in Spain.

Design and Simulation of Deep Nanometer SRAM Cells under Energy, Mismatch, and Radiation Constraints

La fiabilidad está pasando a ser el principal problema de los circuitos integrados según la tecnología desciende por debajo de los 22nm. Pequeñas imperfecciones en la fabricación de los dispositivos dan lugar ahora a importantes diferencias aleatorias en sus características eléctricas, que han de ser tenidas en cuenta durante la fase de diseño. Los nuevos procesos y materiales requeridos para la fabricación de dispositivos de dimensiones tan reducidas están dando lugar a diferentes efectos que resultan finalmente en un incremento del consumo estático, o una mayor vulnerabilidad frente a radiación. Las memorias SRAM son ya la parte más vulnerable de un sistema electrónico, no solo por representar más de la mitad del área de los SoCs y microprocesadores actuales, sino también porque las variaciones de proceso les afectan de forma crítica, donde el fallo de una única célula afecta a la memoria entera. Esta tesis aborda los diferentes retos que presenta el diseño de memorias SRAM en las tecnologías más pequeñas. En un escenario de aumento de la variabilidad, se consideran problemas como el consumo de energía, el diseño teniendo en cuenta efectos de la tecnología a bajo nivel o el endurecimiento frente a radiación. En primer lugar, dado el aumento de la variabilidad de los dispositivos pertenecientes a los nodos tecnológicos más pequeños, así como a la aparición de nuevas fuentes de variabilidad por la inclusión de nuevos dispositivos y la reducción de sus dimensiones, la precisión del modelado de dicha variabilidad es crucial. Se propone en la tesis extender el método de inyectores, que modela la variabilidad a nivel de circuito, abstrayendo sus causas físicas, añadiendo dos nuevas fuentes para modelar la pendiente sub-umbral y el DIBL, de creciente importancia en la tecnología FinFET. Los dos nuevos inyectores propuestos incrementan la exactitud de figuras de mérito a diferentes niveles de abstracción del diseño electrónico: a nivel de transistor, de puerta y de circuito. El error cuadrático medio al simular métricas de estabilidad y prestaciones de células SRAM se reduce un mínimo de 1,5 veces y hasta un máximo de 7,5 a la vez que la estimación de la probabilidad de fallo se mejora en varios ordenes de magnitud. El diseño para bajo consumo es una de las principales aplicaciones actuales dada la creciente importancia de los dispositivos móviles dependientes de baterías. Es igualmente necesario debido a las importantes densidades de potencia en los sistemas actuales, con el fin de reducir su disipación térmica y sus consecuencias en cuanto al envejecimiento. El método tradicional de reducir la tensión de alimentación para reducir el consumo es problemático en el caso de las memorias SRAM dado el creciente impacto de la variabilidad a bajas tensiones. Se propone el diseño de una célula que usa valores negativos en la bit-line para reducir los fallos de escritura según se reduce la tensión de alimentación principal. A pesar de usar una segunda fuente de alimentación para la tensión negativa en la bit-line, el diseño propuesto consigue reducir el consumo hasta en un 20 % comparado con una célula convencional. Una nueva métrica, el hold trip point se ha propuesto para prevenir nuevos tipos de fallo debidos al uso de tensiones negativas, así como un método alternativo para estimar la velocidad de lectura, reduciendo el número de simulaciones necesarias. Según continúa la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos, se incluyen nuevos mecanismos que permiten facilitar el proceso de fabricación, o alcanzar las prestaciones requeridas para cada nueva generación tecnológica. Se puede citar como ejemplo el estrés compresivo o extensivo aplicado a los fins en tecnologías FinFET, que altera la movilidad de los transistores fabricados a partir de dichos fins. Los efectos de estos mecanismos dependen mucho del layout, la posición de unos transistores afecta a los transistores colindantes y pudiendo ser el efecto diferente en diferentes tipos de transistores. Se propone el uso de una célula SRAM complementaria que utiliza dispositivos pMOS en los transistores de paso, así reduciendo la longitud de los fins de los transistores nMOS y alargando los de los pMOS, extendiéndolos a las células vecinas y hasta los límites de la matriz de células. Considerando los efectos del STI y estresores de SiGe, el diseño propuesto mejora los dos tipos de transistores, mejorando las prestaciones de la célula SRAM complementaria en más de un 10% para una misma probabilidad de fallo y un mismo consumo estático, sin que se requiera aumentar el área. Finalmente, la radiación ha sido un problema recurrente en la electrónica para aplicaciones espaciales, pero la reducción de las corrientes y tensiones de los dispositivos actuales los está volviendo vulnerables al ruido generado por radiación, incluso a nivel de suelo. Pese a que tecnologías como SOI o FinFET reducen la cantidad de energía colectada por el circuito durante el impacto de una partícula, las importantes variaciones de proceso en los nodos más pequeños va a afectar su inmunidad frente a la radiación. Se demuestra que los errores inducidos por radiación pueden aumentar hasta en un 40 % en el nodo de 7nm cuando se consideran las variaciones de proceso, comparado con el caso nominal. Este incremento es de una magnitud mayor que la mejora obtenida mediante el diseño de células de memoria específicamente endurecidas frente a radiación, sugiriendo que la reducción de la variabilidad representaría una mayor mejora. ABSTRACT Reliability is becoming the main concern on integrated circuit as the technology goes beyond 22nm. Small imperfections in the device manufacturing result now in important random differences of the devices at electrical level which must be dealt with during the design. New processes and materials, required to allow the fabrication of the extremely short devices, are making new effects appear resulting ultimately on increased static power consumption, or higher vulnerability to radiation SRAMs have become the most vulnerable part of electronic systems, not only they account for more than half of the chip area of nowadays SoCs and microprocessors, but they are critical as soon as different variation sources are regarded, with failures in a single cell making the whole memory fail. This thesis addresses the different challenges that SRAM design has in the smallest technologies. In a common scenario of increasing variability, issues like energy consumption, design aware of the technology and radiation hardening are considered. First, given the increasing magnitude of device variability in the smallest nodes, as well as new sources of variability appearing as a consequence of new devices and shortened lengths, an accurate modeling of the variability is crucial. We propose to extend the injectors method that models variability at circuit level, abstracting its physical sources, to better model sub-threshold slope and drain induced barrier lowering that are gaining importance in FinFET technology. The two new proposed injectors bring an increased accuracy of figures of merit at different abstraction levels of electronic design, at transistor, gate and circuit levels. The mean square error estimating performance and stability metrics of SRAM cells is reduced by at least 1.5 and up to 7.5 while the yield estimation is improved by orders of magnitude. Low power design is a major constraint given the high-growing market of mobile devices that run on battery. It is also relevant because of the increased power densities of nowadays systems, in order to reduce the thermal dissipation and its impact on aging. The traditional approach of reducing the voltage to lower the energy consumption if challenging in the case of SRAMs given the increased impact of process variations at low voltage supplies. We propose a cell design that makes use of negative bit-line write-assist to overcome write failures as the main supply voltage is lowered. Despite using a second power source for the negative bit-line, the design achieves an energy reduction up to 20% compared to a conventional cell. A new metric, the hold trip point has been introduced to deal with new sources of failures to cells using a negative bit-line voltage, as well as an alternative method to estimate cell speed, requiring less simulations. With the continuous reduction of device sizes, new mechanisms need to be included to ease the fabrication process and to meet the performance targets of the successive nodes. As example we can consider the compressive or tensile strains included in FinFET technology, that alter the mobility of the transistors made out of the concerned fins. The effects of these mechanisms are very dependent on the layout, with transistor being affected by their neighbors, and different types of transistors being affected in a different way. We propose to use complementary SRAM cells with pMOS pass-gates in order to reduce the fin length of nMOS devices and achieve long uncut fins for the pMOS devices when the cell is included in its corresponding array. Once Shallow Trench isolation and SiGe stressors are considered the proposed design improves both kinds of transistor, boosting the performance of complementary SRAM cells by more than 10% for a same failure probability and static power consumption, with no area overhead. While radiation has been a traditional concern in space electronics, the small currents and voltages used in the latest nodes are making them more vulnerable to radiation-induced transient noise, even at ground level. Even if SOI or FinFET technologies reduce the amount of energy transferred from the striking particle to the circuit, the important process variation that the smallest nodes will present will affect their radiation hardening capabilities. We demonstrate that process variations can increase the radiation-induced error rate by up to 40% in the 7nm node compared to the nominal case. This increase is higher than the improvement achieved by radiation-hardened cells suggesting that the reduction of process variations would bring a higher improvement.

A methodology to analyze, design and implement very fast and robust controls of Buck-type converters

La electrónica digital moderna presenta un desafío a los diseñadores de sistemas de potencia. El creciente alto rendimiento de microprocesadores, FPGAs y ASICs necesitan sistemas de alimentación que cumplan con requirimientos dinámicos y estáticos muy estrictos. Específicamente, estas alimentaciones son convertidores DC-DC de baja tensión y alta corriente que necesitan ser diseñados para tener un pequeño rizado de tensión y una pequeña desviación de tensión de salida bajo transitorios de carga de una alta pendiente. Además, dependiendo de la aplicación, se necesita cumplir con otros requerimientos tal y como proveer a la carga con ”Escalado dinámico de tensión”, donde el convertidor necesitar cambiar su tensión de salida tan rápidamente posible sin sobreoscilaciones, o ”Posicionado Adaptativo de la Tensión” donde la tensión de salida se reduce ligeramente cuanto más grande sea la potencia de salida. Por supuesto, desde el punto de vista de la industria, las figuras de mérito de estos convertidores son el coste, la eficiencia y el tamaño/peso. Idealmente, la industria necesita un convertidor que es más barato, más eficiente, más pequeño y que aún así cumpla con los requerimienos dinámicos de la aplicación. En este contexto, varios enfoques para mejorar la figuras de mérito de estos convertidores se han seguido por la industria y la academia tales como mejorar la topología del convertidor, mejorar la tecnología de semiconducores y mejorar el control. En efecto, el control es una parte fundamental en estas aplicaciones ya que un control muy rápido hace que sea más fácil que una determinada topología cumpla con los estrictos requerimientos dinámicos y, consecuentemente, le da al diseñador un margen de libertar más amplio para mejorar el coste, la eficiencia y/o el tamaño del sistema de potencia. En esta tesis, se investiga cómo diseñar e implementar controles muy rápidos para el convertidor tipo Buck. En esta tesis se demuestra que medir la tensión de salida es todo lo que se necesita para lograr una respuesta casi óptima y se propone una guía de diseño unificada para controles que sólo miden la tensión de salida Luego, para asegurar robustez en controles muy rápidos, se proponen un modelado y un análisis de estabilidad muy precisos de convertidores DC-DC que tienen en cuenta circuitería para sensado y elementos parásitos críticos. También, usando este modelado, se propone una algoritmo de optimización que tiene en cuenta las tolerancias de los componentes y sensados distorsionados. Us ando este algoritmo, se comparan controles muy rápidos del estado del arte y su capacidad para lograr una rápida respuesta dinámica se posiciona según el condensador de salida utilizado. Además, se propone una técnica para mejorar la respuesta dinámica de los controladores. Todas las propuestas se han corroborado por extensas simulaciones y prototipos experimentales. Con todo, esta tesis sirve como una metodología para ingenieros para diseñar e implementar controles rápidos y robustos de convertidores tipo Buck. ABSTRACT Modern digital electronics present a challenge to designers of power systems. The increasingly high-performance of microprocessors, FPGAs (Field Programmable Gate Array) and ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) require power supplies to comply with very demanding static and dynamic requirements. Specifically, these power supplies are low-voltage/high-current DC-DC converters that need to be designed to exhibit low voltage ripple and low voltage deviation under high slew-rate load transients. Additionally, depending on the application, other requirements need to be met such as to provide to the load ”Dynamic Voltage Scaling” (DVS), where the converter needs to change the output voltage as fast as possible without underdamping, or ”Adaptive Voltage Positioning” (AVP) where the output voltage is slightly reduced the greater the output power. Of course, from the point of view of the industry, the figures of merit of these converters are the cost, efficiency and size/weight. Ideally, the industry needs a converter that is cheaper, more efficient, smaller and that can still meet the dynamic requirements of the application. In this context, several approaches to improve the figures of merit of these power supplies are followed in the industry and academia such as improving the topology of the converter, improving the semiconductor technology and improving the control. Indeed, the control is a fundamental part in these applications as a very fast control makes it easier for the topology to comply with the strict dynamic requirements and, consequently, gives the designer a larger margin of freedom to improve the cost, efficiency and/or size of the power supply. In this thesis, how to design and implement very fast controls for the Buck converter is investigated. This thesis proves that sensing the output voltage is all that is needed to achieve an almost time-optimal response and a unified design guideline for controls that only sense the output voltage is proposed. Then, in order to assure robustness in very fast controls, a very accurate modeling and stability analysis of DC-DC converters is proposed that takes into account sensing networks and critical parasitic elements. Also, using this modeling approach, an optimization algorithm that takes into account tolerances of components and distorted measurements is proposed. With the use of the algorithm, very fast analog controls of the state-of-the-art are compared and their capabilities to achieve a fast dynamic response are positioned de pending on the output capacitor. Additionally, a technique to improve the dynamic response of controllers is also proposed. All the proposals are corroborated by extensive simulations and experimental prototypes. Overall, this thesis serves as a methodology for engineers to design and implement fast and robust controls for Buck-type converters.

Evaluating sustainability and food security of peasant farming systems in Mesoamerican highlands

En las últimas décadas, la agricultura sostenible ha sido objeto de gran interés y debate académico, no sólo en términos conceptuales, sino también en términos metodológicos. La persistencia de la inseguridad alimentaria y el deterioro de los recursos naturales en muchas regiones del mundo, ha provocado el surgimiento de numerosas iniciativas centradas en revitalizar la agricultura campesina así como renovadas discusiones sobre el rol que juega la agricultura como motor de desarrollo y principal actividad para alivio de la pobreza. Por ello, cuando hablamos de evaluar sistemas campesinos de montaña, debemos considerar tanto la dimensión alimentaria como las especificidades propias de los sistemas montañosos como base fundamental de la sostenibilidad. Al evaluar la contribución que han hecho alternativas tecnológicas y de manejo en la mejora de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de los sistemas campesinos de montaña en Mesoamérica, surgen tres preguntas de investigación: • ¿Se está evaluando la sostenibilidad de los sistemas campesinos teniendo en cuenta la variabilidad climática, la participación de los agricultores y las dinámicas temporales? • ¿Podemos rescatar tendencias comunes en estos sistemas y extrapolar los resultados a otras zonas? • ¿Son inequívocamente positivas las alternativas propuestas que se han llevado a cabo? En este trabajo se presentan tres evaluaciones de sostenibilidad que tratan de poner de manifiesto cuáles son los retos y oportunidades que enfrentan actualmente los sistemas campesinos de montaña. En primer lugar, se evalúan tres sistemas de manejo agrícola bajo dos años meteorológicamente contrastantes. Se determinó que durante el año que experimentó lluvias abundantes y temperaturas moderadas, los sistemas de bajos insumos, basados en el uso de abonos orgánicos y rotación de cultivos, obtuvieron los mejores resultados en indicadores ecológicos y similares resultados en los económicos y sociales que el sistema de altos insumos químicos. En el segundo año, con heladas tempranas y sequía invernal, la productividad se redujo para todos los sistemas pero los sistemas más diversificados (en variedades de maíz y/o siembra de otros cultivos) pudieron resistir mejor los contratiempos climáticos. En segundo lugar, se evalúa el grado de conocimiento (percepción) campesino para determinar los factores claves que determinan la sostenibilidad de sus sistemas y su seguridad alimentaria. Se determinó que los principales puntos críticos identificados por los campesinos (tamaño de parcela y pendiente del terreno) afectan de forma significativa a cuestiones de índole económica, pero no son capaces de explicar los desequilibrios alimenticios existentes. Realizando un análisis comparativo entre comunidades que presentaban buenos y malos resultados en cuanto a aporte energético y proteico, se determinó que la seguridad alimentaria estaba relacionada con la sostenibilidad de los sistemas y que concretamente estaba ligada a los atributos de equidad y autonomía. Otro resultado destacable fue que las comunidades más marginales y con mayor dificultad de acceso mostraron mayores niveles de inseguridad alimentaria, pero la variabilidad intergrupal fue muy alta. Eso demuestra que la seguridad alimentaria y nutricional forma parte de un complejo sistema de estrategias de autoabastecimiento ligada a la idiosincrasia misma de cada uno de los hogares. En tercer lugar, se evaluó el desempeño de las escuelas de campo de agricultores (ECAs) en la mejora de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de un sistema campesino de montaña. Para ver el efecto del impacto de estas metodologías a largo plazo, se estudiaron tres comunidades donde se habían implementado ECAs hace 8, 5 y 3 años. Encontramos que el impacto fue progresivo ya que fue la comunidad más antigua la que mejores valores obtuvo. El impacto de las ECAs fue rápido y persistente en los indicadores relacionados con la participación, el acceso a servicios básicos y la conservación de los recursos naturales. El estudio demostró un claro potencial de las ECAs en la mejora general de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de estos sistemas, sin embargo se observó una relación directa entre el aumento de producción agrícola y el uso de insumos externos, lo que puede suponer un punto crítico para los ideales sostenibles. ABSTRACT During the last decades, sustainable agriculture has been the subject of considerable academic interest and debate, not only in conceptual terms, but also in methodological ones. The persistence of high levels of environmental degradation and food insecurity in many regions has led to new initiatives focused on revitalizing peasant agriculture and renewed discussions of the role of sustainable agriculture as an engine for development, environmental conservation and poverty alleviation. Therefore, to assess mountain farming systems, we must consider food dimension and taking into account the specificities of the mountain systems as the foundation of sustainability. When evaluating contribution of technological and management alternative proposals in achieving sustainability and food security for peasant farming systems in Mesoamerican highlands, three research questions arise: • Is sustainability of peasant-farming systems being evaluated taking into account climate variability, participation of farmers and temporal dynamics? • Can we rescue common trends in these systems and extrapolate the results to other areas? • What alternative proposals that have been conducted are unequivocally positives? In this document, we present three evaluations of sustainability that try to highlight the challenges and opportunities that currently face mountain farming systems in Mesoamerica. First, we evaluate the sustainability of three agricultural management systems in two contrasting weather years. We determined that during the first year that exposed heavy rains and moderate temperatures, low-input systems, which are based on the use of organic fertilizers and crop rotation, provided better results in terms of ecological indicators and equal results in terms of economic and social indicators than those achieved using a high chemical input system. In the second year, which featured early frosts and a winter drought, productivity declined in all systems; however, the most diversified systems (in terms of the maize varieties grown and the sowing of other crops) more successfully resisted these climatic adversities. Second, we evaluate the farmers’ perception to determine the key drivers for achieving their sustainability and food and nutritional security. We determined that the key factors identified by farmers (landholding size and slope of cropland) exerted significant impacts on economic disparities but did not explain the malnutrition levels. We compared two contrasting hamlets according to their energy and protein supply, one namely Limón Timoté (LT), which did not present food problems and Limón Peña Blanca (LP), which did exhibit food insecurity. The results showed that FNS is linked to sustainability, and it is primarily related to the sustainability attributes of self-reliance and equity. Although the more marginated and inaccessible community exhibited more food insecurity, food and nutritional security depend upon a complex array of self-sufficiency strategies that remain linked to individual household idiosyncrasies. Third, we evaluated the impact of farmer field schools for improving the sustainability and food security of peasant mountain systems. In order to appreciate the long-term impact, we studied three communities where FFSs were implemented eight, five and three years ago, respectively. We found that FFSs have a gradual impact, as the community that first implemented FFSs scores highest. The impact of FFSs was broad and long-lasting for indicators related to participation, access to basic services and conservation of natural resources. This study demonstrates the potential of FFSs, but more attention will have to be paid to critical indicators in order to scale up their potential in the future. We observed a direct relationship between the increase in agricultural production and the use of external inputs, which is a critical point for sustainable ideals.

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.

Estudo sobre a interação de métodos anti-ilhamento para sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição de baixa tensão com múltiplos inversores.

Este trabalho estuda a interação entre os métodos anti-ilhamento aplicados em sistemas fotovoltaicos residenciais, operando simultaneamente em uma rede de distribuição de baixa tensão. Os sistemas fotovoltaicos em geral interagem entre si, com a rede de distribuição da concessionária e com outras fontes de geração distribuída. Uma consequência importante dessa interação é a ocorrência do ilhamento, que acontece quando as fontes de geração distribuída fornecem energia ao sistema elétrico de potência mesmo quando esta se encontra eletricamente isolada do sistema elétrico principal. A função anti-ilhamento é uma proteção extremamente importante, devendo estar presente em todos os sistemas de geração distribuída. Atualmente, são encontradas diversas técnicas na literatura. Muitas delas oferecem proteção adequada quando um inversor está conectado à linha de distribuição, mas podem falhar quando dois ou mais funcionam simultaneamente, conectados juntos ou próximos entre si. Dois destes métodos são analisados detalhadamente nesse estudo, avaliados em uma rede de distribuição residencial de baixa tensão. Os resultados obtidos mostram que a influência de um método sobre o outro é dependente da predominância de cada um deles dentro do sistema elétrico. Contudo, nas condições analisadas o ilhamento foi detectado dentro do limite máximo estabelecido pelas normas pertinentes.

Evidence for non-conservative current-induced forces in the breaking of Au and Pt atomic chains

This experimental work aims at probing current-induced forces at the atomic scale. Specifically it addresses predictions in recent work regarding the appearance of run-away modes as a result of a combined effect of the non-conservative wind force and a ‘Berry force’. The systems we consider here are atomic chains of Au and Pt atoms, for which we investigate the distribution of break down voltage values. We observe two distinct modes of breaking for Au atomic chains. The breaking at high voltage appears to behave as expected for regular break down by thermal excitation due to Joule heating. However, there is a low-voltage breaking mode that has characteristics expected for the mechanism of current-induced forces. Although a full comparison would require more detailed information on the individual atomic configurations, the systems we consider are very similar to those considered in recent model calculations and the comparison between experiment and theory is very encouraging for the interpretation we propose.

Investigation of the effects of low energy high dose ion bombardment in metals and compound semiconductors

The effect of low energy nitrogen molecular ion beam bombardment on metals and compound semiconductors has been studied, with the aim to investigate at the effects of ion and target properties. For this purpose, nitrogen ion implantation in aluminium, iron, copper, gold, GaAs and AIGaAs is studied using XPS and Angle Resolve XPS. A series of experimental studies on N+2 bombardment induced compositional changes, especially the amount of nitrogen retained in the target, were accomplished. Both monoenergetic implantation and non-monoenergetic ion implantation were investigated, using the VG Scientific ESCALAB 200D system and a d. c. plasma cell, respectively. When the samples, with the exception of gold, are exposed to air, native oxide layers are formed on the surfaces. In the case of monoenergetic implantation, the surfaces were cleaned using Ar+ beam bombardment prior to implantation. The materials were then bombarded with N2+ beam and eight sets of successful experiments were performed on each sample, using a rastered N2+ ion beam of energy of 2, 3, 4 and 5 keV with current densities of 1 μA/cm2 and 5 μA/cm22 for each energy. The bombarded samples were examined by ARXPS. After each complete implantation, XPS depth profiles were created using Ar+ beam at energy 2 ke V and current density 2 μA/cm2 . As the current density was chosen as one of the parameters, accurate determination of current density was very important. In the case of glow discharge, two sets of successful experiments were performed in each case, by exposing the samples to nitrogen plasma for the two conditions: at low pressure and high voltage and high pressure and low voltage. These samples were then examined by ARXPS. On the theoretical side, the major problem was prediction of the number of ions of an element that can be implanted in a given matrix. Although the programme is essentially on experimental study, but an attempt is being made to understand the current theoretical models, such as SATVAL, SUSPRE and TRIM. The experimental results were compared with theoretical predictions, in order to gain a better understanding of the mechanisms responsible. From the experimental results, considering possible experimental uncertainties, there is no evidence of significant variation in nitrogen saturation concentration with ion energy or ion current density in the range of 2-5 ke V, however, the retention characteristics of implantant seem to strongly depend on the chemical reactivity between ion species and target material. The experimental data suggests the presence of at least one thermal process. The discrepancy between the theoretical and experimental results could be the inability of the codes to account for molecular ion impact and thermal processes.

Small-signal input admittance characteristics of a brushless DC motor drive

To carry out stability studies on more electric systems in which there is a preponderance of motor drive equipment, input admittance expressions are required for the individual pieces of equipment. In this paper the techniques of averaging and small-signal linearisation will be used to derive a simple input admittance model for a low voltage, trapezoidal back EMF, brushless, DC motor drive system.

Online two-section PV array fault diagnosis with optimized voltage sensor locations

Photovoltaic (PV) stations have been widely built in the world to utilize solar energy directly. In order to reduce the capital and operational costs, early fault diagnosis is playing an increasingly important role by enabling the long effective operation of PV arrays. This paper analyzes the terminal characteristics of faulty PV strings and arrays, and it develops a PV array fault diagnosis technique. The terminal current-voltage curve of a faulty PV array is divided into two sections, i.e., high-voltage and low-voltage fault diagnosis sections. The corresponding working points of healthy string modules and of healthy and faulty modules in an unhealthy string are then analyzed for each section. By probing into different working points, a faulty PV module can be located. The fault information is of critical importance for the maximum power point tracking and the array dynamical reconfiguration. Furthermore, the string current sensors can be eliminated, and the number of voltage sensors can be reduced by optimizing voltage sensor locations. Typical fault scenarios including monostring, multistring, and a partial shadow for a 1.6-kW 3 $times$ 3 PV array are presented and experimentally tested to confirm the effectiveness of the proposed fault diagnosis method.

Integración de aerogeneradores de baja potencia en la red de baja tensión

[EN] The current energy model is unsustainable economically, environmentally and socially forcing develop renewable technologies that modify the concept to the responsible use. The use of low-power wind turbines has generally been limited to isolated which has slowed their development systems. The study addresses this technological niche to deepen their study of integration of electricity on a low voltage network. For this first wind potential with Homer software is evaluated. Various scenarios are simulated in "The IEEE European Test Low Voltage Feeder" network using the software OpenDSS widely used in studies of Generation Distributed by EPRI (Electric Power Research Institute).

Quantifying nitrous oxide emissions from sugarcane cropping systems : Optimum sampling time and frequency

Nitrous oxide (N2O) emissions from soil are often measured using the manual static chamber method. Manual gas sampling is labour intensive, so a minimal sampling frequency that maintains the accuracy of measurements would be desirable. However, the high temporal (diurnal, daily and seasonal) variabilities of N2O emissions can compromise the accuracy of measurements if not addressed adequately when formulating a sampling schedule. Assessments of sampling strategies to date have focussed on relatively low emission systems with high episodicity, where a small number of the highest emission peaks can be critically important in the measurement of whole season cumulative emissions. Using year-long, automated sub-daily N2O measurements from three fertilised sugarcane fields, we undertook an evaluation of the optimum gas sampling strategies in high emission systems with relatively long emission episodes. The results indicated that sampling in the morning between 09:00–12:00, when soil temperature was generally close to the daily average, best approximated the daily mean N2O emission within 4–7% of the ‘actual’ daily emissions measured by automated sampling. Weekly sampling with biweekly sampling for one week after >20 mm of rainfall was the recommended sampling regime. It resulted in no extreme (>20%) deviations from the ‘actuals’, had a high probability of estimating the annual cumulative emissions within 10% precision, with practicable sampling numbers in comparison to other sampling regimes. This provides robust and useful guidance for manual gas sampling in sugarcane cropping systems, although further adjustments by the operators in terms of expected measurement accuracy and resource availability are encouraged. By implementing these sampling strategies together, labour inputs and errors in measured cumulative N2O emissions can be minimised. Further research is needed to quantify the spatial variability of N2O emissions within sugarcane cropping and to develop techniques for effectively addressing both spatial and temporal variabilities simultaneously.

Arquitetura para o desenvolvimento de unidades de medição fasorial sincronizada no monitoramento a nível de distribuição

This work presents a low cost architecture for development of synchronized phasor measurement units (PMU). The device is intended to be connected in the low voltage grid, which allows the monitoring of transmission and distribution networks. Developments of this project include a complete PMU, with instrumentation module for use in low voltage network, GPS module to provide the sync signal and time stamp for the measures, processing unit with the acquisition system, phasor estimation and formatting data according to the standard and finally, communication module for data transmission. For the development and evaluation of the performance of this PMU, it was developed a set of applications in LabVIEW environment with specific features that let analyze the behavior of the measures and identify the sources of error of the PMU, as well as to apply all the tests proposed by the standard. The first application, useful for the development of instrumentation, consists of a function generator integrated with an oscilloscope, which allows the generation and acquisition of signals synchronously, in addition to the handling of samples. The second and main, is the test platform, with capabality of generating all tests provided by the synchronized phasor measurement standard IEEE C37.118.1, allowing store data or make the analysis of the measurements in real time. Finally, a third application was developed to evaluate the results of the tests and generate calibration curves to adjust the PMU. The results include all the tests proposed by synchrophasors standard and an additional test that evaluates the impact of noise. Moreover, through two prototypes connected to the electrical installation of consumers in same distribution circuit, it was obtained monitoring records that allowed the identification of loads in consumer and power quality analysis, beyond the event detection at the distribution and transmission levels.