Implications of high power losses in IR femtosecond laser inscribed fibre Bragg gratings

We report on high power issues related to the reliability of fibre Bragg gratings inscribed with an infrared femtosecond laser using the point-by-point writing method. Conventionally, fibre Bragg gratings have usually been written in fibres using ultraviolet light, either holographically or using a phase mask. Since the coating is highly absorbing in the UV, this process normally requires that the protective polymer coating is stripped prior to inscription, with the fibre then being recoated. This results in a time consuming fabrication process that, unless great care is taken, can lead to fibre strength degradation, due to the presence of surface damage. The recent development of FBG inscription using NIR femtosecond lasers has eliminated the requirement for the stripping of the coating. At the same time the ability to write gratings point-by-point offers the potential for great flexibility in the grating design. There is, however, a requirement for reliability testing of these gratings, particularly for use in telecommunications systems where high powers are increasingly being used in long-haul transmission systems making use of Raman amplification. We report on a study of such gratings which has revealed the presence of broad spectrum power losses. When high powers are used, even at wavelengths far removed from the Bragg condition, these losses produce an increase in the fibre temperature due to absorption in the coating. We have monitored this temperature rise using the wavelength shift in the grating itself. At power levels of a few watts, various temperature increases were experienced ranging from a few degrees up to the point where the buffer completely melts off the fibre at the grating site. Further investigations are currently under way to study the optical loss mechanisms in order to optimise the inscription mechanism and minimise such losses.

Use of active power filter to reduce the effects of harmonics in solid oxide fuel cells

The Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is a class of fuel cells that is capable of generating very high levels of power at high temperatures. SOFCs are used for stationary power generation and as Combined Heat and Power (CHP) systems. In spite of all the beneficial features of the SOFC, the propagation of ripple currents, due to nonlinear loads, is a challenging problem, as it interferes with the physical operation of the fuel cell. The purpose of this thesis is to identify the cause of ripples and attempt to eliminate or reduce the ripple propagation through the use of Active Power Filters (APF). To this end, a systematic approach to modeling the fuel cell to account for its nonlinear behavior in the presence of current ripples is presented. A model of a small fuel cell power system which consists of a fuel cell, a DC-DC converter, a single-phase inverter and a nonlinear load is developed in MATLAB/Simulink environment. The extent of ripple propagation, due to variations in load magnitude and frequency, are identified using frequency spectrum analysis. In order to reduce the effects of ripple propagation, an APF is modeled to remove ripples from the DC fuel cell current. The emphasis of this thesis is based on the idea that small fuel cell systems cannot implement large passive filters to cancel the effects of ripple propagation and hence, the compact APF topology effectively protects the fuel cell from propagating ripples and improves its electrical performance.

Localização Ótima de Aparelhos de Corte Normalmente Abertos e Normalmente Fechados em Redes de Distribuição

Tipicamente as redes elétricas de distribuição apresentam uma topologia parcialmente malhada e são exploradas radialmente. A topologia radial é obtida através da abertura das malhas nos locais que otimizam o ponto de operação da rede, através da instalação de aparelhos de corte que operam normalmente abertos. Para além de manterem a topologia radial, estes equipamentos possibilitam também a transferência de cargas entre saídas, aquando da ocorrência de defeitos. As saídas radiais são ainda dotadas de aparelhos de corte que operam normalmente fechados, estes têm como objetivo maximizar a fiabilidade e isolar defeitos, minimizando a área afetada pelos mesmos. Assim, na presente dissertação são desenvolvidos dois algoritmos determinísticos para a localização ótima de aparelhos de corte normalmente abertos e fechados, minimizando a potência ativa de perdas e o custo da energia não distribuída. O algoritmo de localização de aparelhos de corte normalmente abertos visa encontrar a topologia radial ótima que minimiza a potência ativa de perdas. O método é desenvolvido em ambiente Matlab – Tomlab, e é formulado como um problema de programação quadrática inteira mista. A topologia radial ótima é garantida através do cálculo de um trânsito de potências ótimo baseado no modelo DC. A função objetivo é dada pelas perdas por efeito de Joule. Por outro lado o problema é restringido pela primeira lei de Kirchhoff, limites de geração das subestações, limites térmicos dos condutores, trânsito de potência unidirecional e pela condição de radialidade. Os aparelhos de corte normalmente fechados são localizados ao longo das saídas radiais obtidas pelo anterior algoritmo, e permite minimizar o custo da energia não distribuída. No limite é possível localizar um aparelho de corte normalmente fechado em todas as linhas de uma rede de distribuição, sendo esta a solução que minimiza a energia não distribuída. No entanto, tendo em conta que a cada aparelho de corte está associado um investimento, é fundamental encontrar um equilíbrio entre a melhoria de fiabilidade e o investimento. Desta forma, o algoritmo desenvolvido avalia os benefícios obtidos com a instalação de aparelhos de corte normalmente fechados, e retorna o número e a localização dos mesmo que minimiza o custo da energia não distribuída. Os métodos apresentados são testados em duas redes de distribuição reais, exploradas com um nível de tensão de 15 kV e 30 kV, respetivamente. A primeira rede é localizada no distrito do Porto e é caraterizada por uma topologia mista e urbana. A segunda rede é localizada no distrito de Bragança e é caracterizada por uma topologia maioritariamente aérea e rural.

An approach of optimal sensitivity applied in the tertiary loop of the automatic generation control

This paper proposes an approach of optimal sensitivity applied in the tertiary loop of the automatic generation control. The approach is based on the theorem of non-linear perturbation. From an optimal operation point obtained by an optimal power flow a new optimal operation point is directly determined after a perturbation, i.e., without the necessity of an iterative process. This new optimal operation point satisfies the constraints of the problem for small perturbation in the loads. The participation factors and the voltage set point of the automatic voltage regulators (AVR) of the generators are determined by the technique of optimal sensitivity, considering the effects of the active power losses minimization and the network constraints. The participation factors and voltage set point of the generators are supplied directly to a computational program of dynamic simulation of the automatic generation control, named by power sensitivity mode. Test results are presented to show the good performance of this approach. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

A mixed-integer LP model for the reconfiguration of radial electric distribution systems considering distributed generation

The problem of reconfiguration of distribution systems considering the presence of distributed generation is modeled as a mixed-integer linear programming (MILP) problem in this paper. The demands of the electric distribution system are modeled through linear approximations in terms of real and imaginary parts of the voltage, taking into account typical operating conditions of the electric distribution system. The use of an MILP formulation has the following benefits: (a) a robust mathematical model that is equivalent to the mixed-integer non-linear programming model; (b) an efficient computational behavior with exiting MILP solvers; and (c) guarantees convergence to optimality using classical optimization techniques. Results from one test system and two real systems show the excellent performance of the proposed methodology compared with conventional methods. © 2012 Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Alocação ótima de reguladores de tensão em sistemas de distribuição de energia elétrica radiais usando uma formulação linear inteira mista. -

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Metodologia para o planejamento da operação de sistemas hidrotérmicos em mercado elétrico competitivo

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Algoritmo GRASP especializado aplicado ao problema de reconfiguração de alimentadores em sistemas de distribuição radial

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Metodologia de planejamento para inserção de geradores fotovoltaicos em redes elétricas isoladas e supridas por geradores a diesel

Fontes renováveis de energia baseadas na geração fotovoltaica (GFV) são alternativas energéticas promissoras para a complementação da geração elétrica convencional e centralizada, como usinas térmicas a diesel que suprem potência para redes elétricas isoladas em cidades e localidades remotas na Amazônia. A alocação e o dimensionamento de geradores para aplicação como geração distribuída (GD) é um problema desafiador, com implicações técnicas e econômicas, relacionadas ao planejamento, projeto e operação da rede e, particularmente, a GFV em função das condições ambientais, principalmente radiação solar e temperatura ambiente. Esta tese apresenta uma metodologia analítica para alocar e dimensionar a potência ativa de unidades de geração fotovoltaica, composta pelo gerador FV integrado ao inversor CC/CA (GDFV) para integração, de forma concentrada ou dispersa em redes isoladas de média tensão, e contempla o atendimento de múltiplos objetivos, melhoria do perfil de tensão da rede, redução das perdas ativas e redução da participação da geração a diesel, proporcionando redução no consumo de óleo diesel e, consequentemente, redução da poluição ambiental. A solução global do método proposto constitui um compromisso em relação a esses objetivos, apresentando ponderações diferenciadas para os mesmos, de acordo com prioridades estabelecidas no planejamento do sistema elétrico sob estudo. Para validação da metodologia proposta, foram modeladas e simuladas as redes de 33 e 69 barras do IEEE e um sistema elétrico isolado, cuja usina térmica a diesel supre alimentação para a cidade de Aveiro-PA, Região Amazônica, obtendo-se como resultados dessas simulações melhoria significativa no perfil de tensão, redução nas perdas ativas e na potência de geração a diesel, de acordo com indicadores técnicos que permitem a avaliação quantitativa da integração da GDFV na rede elétrica.

Alocação ótima de chaves de interconexão nas redes de distribuição de energia elétrica

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Reconfiguração de sistemas de distribuição de energia elétrica utilizando uma metodologia multipartida

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Desenvolvimento de estratégias de otimização contínua e discreta para problemas de fluxo de potência ótimo

O objetivo do presente trabalho é a investigação e o desenvolvimento de estratégias de otimização contínua e discreta para problemas de Fluxo de Potência Ótimo (FPO), onde existe a necessidade de se considerar as variáveis de controle associadas aos taps de transformadores em-fase e chaveamentos de bancos de capacitores e reatores shunt como variáveis discretas e existe a necessidade da limitação, e/ou até mesmo a minimização do número de ações de controle. Neste trabalho, o problema de FPO será abordado por meio de três estratégias. Na primeira proposta, o problema de FPO é modelado como um problema de Programação Não Linear com Variáveis Contínuas e Discretas (PNLCD) para a minimização de perdas ativas na transmissão; são propostas três abordagens utilizando funções de discretização para o tratamento das variáveis discretas. Na segunda proposta, considera-se que o problema de FPO, com os taps de transformadores discretos e bancos de capacitores e reatores shunts fixos, possui uma limitação no número de ações de controles; variáveis binárias associadas ao número de ações de controles são tratadas por uma função quadrática. Na terceira proposta, o problema de FPO é modelado como um problema de Otimização Multiobjetivo. O método da soma ponderada e o método ε-restrito são utilizados para modificar os problemas multiobjetivos propostos em problemas mono-objetivos. As variáveis binárias associadas às ações de controles são tratadas por duas funções, uma sigmoidal e uma polinomial. Para verificar a eficácia e a robustez dos modelos e algoritmos desenvolvidos serão realizados testes com os sistemas elétricos IEEE de 14, 30, 57, 118 e 300 barras. Todos os algoritmos e modelos foram implementados em General Algebraic Modeling System (GAMS) e os solvers CONOPT, IPOPT, KNITRO e DICOPT foram utilizados na resolução dos problemas. Os resultados obtidos confirmam que as estratégias de discretização são eficientes e as propostas de modelagem para variáveis binárias permitem encontrar soluções factíveis para os problemas envolvendo as ações de controles enquanto os solvers DICOPT e KNITRO utilizados para modelar variáveis binárias não encontram soluções.

A novel matrix converter based resonant dual active bridge for V2G applications

Dual-active bridges (DABs) can be used to deliver isolated and bidirectional power to electric vehicles (EVs) or to the grid in vehicle-to-grid (V2G) applications. However, such a system essentially requires a two-stage power conversion process, which significantly increases the power losses. Furthermore, the poor power factor associated with DAB converters further reduces the efficiency of such systems. This paper proposes a novel matrix converter based resonant DAB converter that requires only a single-stage power conversion process to facilitate isolated bi-directional power transfer between EVs and the grid. The proposed converter comprises a matrix converter based front end linked with an EV side full-bridge converter through a high frequency isolation transformer and a tuned LCL network. A mathematical model, which predicts the behavior of the proposed system, is presented to show that both the magnitude and direction of the power flow can be controlled through either relative phase angle or magnitude modulation of voltages produced by converters. Viability of the proposed concept is verified through simulations. The proposed matrix converter based DAB, with a single power conversion stage, is low in cost, and suites charging and discharging in single or multiple EVs or V2G applications.

Doubly Fed Induction Generator for wind energy generation using nine-switch power converter

A Three-Phase Nine-Switch Converter (NSC) topology for Doubly Fed Induction Generator in wind energy generation is proposed in this paper. This converter topology was used in various applications such as Hybrid Electric Vehicles and Uninterruptable Power Supplies. In this paper, Nine-Switch Converter is introduced in Doubly Fed Induction Generator in renewable energy application for the first time. It replaces the conventional Back-to-Back Pulse Width Modulated voltage source converter (VSC) which composed of twelve switches in many DFIG applications. Reduction in number of switches is the most beneficial in terms of cost and power switching losses. The operation principle of Nine-Switch Converter using SPWM method is discussed. The resulting NSC performance of rotor side current control, active power and reactive control are compared with Back-to Back voltage source converter performance. DC link voltage regulation using front end converter is also presented. Finally the simulation results of DFIG performances using NSC and Back-to-Back VSC are analyzed and compared.

Active-passive 44 SOA-based switch with integrated power monitoring

The first monolithically integrated 44 switch with power monitoring function using on-chip PIN photodiodes is reported. Using 10Gb/s signals, under active power control an IPDR of 12dB for a 1dB power penalty is achieved. © 2012 OSA.