Compensação da energia reactiva com minimização de perturbações sobre a rede eléctrica

Trabalho Final de Mestrado para a obtenção de grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Produção Sustentável em BT- Análise de Características de Contadores Inteligentes

A crescente necessidade de reduzir a dependência energética e a emissão de gases de efeito de estufa levou à adoção de uma série de políticas a nível europeu com vista a aumentar a eficiência energética e nível de controlo de equipamentos, reduzir o consumo e aumentar a percentagem de energia produzida a partir de fontes renováveis. Estas medidas levaram ao desenvolvimento de duas situações críticas para o setor elétrico: a substituição das cargas lineares tradicionais, pouco eficientes, por cargas não-lineares mais eficientes e o aparecimento da produção distribuída de energia a partir de fontes renováveis. Embora apresentem vantagens bem documentadas, ambas as situações podem afetar negativamente a qualidade de energia elétrica na rede de distribuição, principalmente na rede de baixa tensão onde é feita a ligação com a maior parte dos clientes e onde se encontram as cargas não-lineares e a ligação às fontes de energia descentralizadas. Isto significa que a monitorização da qualidade de energia tem, atualmente, uma importância acrescida devido aos custos relacionados com perdas inerentes à falta de qualidade de energia elétrica na rede e à necessidade de verificar que determinados parâmetros relacionados com a qualidade de energia elétrica se encontram dentro dos limites previstos nas normas e nos contratos com clientes de forma a evitar disputas ou reclamações. Neste sentido, a rede de distribuição tem vindo a sofrer alterações a nível das subestações e dos postos de transformação que visam aumentar a visibilidade da qualidade de energia na rede em tempo real. No entanto, estas medidas só permitem monitorizar a qualidade de energia até aos postos de transformação de média para baixa tensão, não revelando o estado real da qualidade de energia nos pontos de entrega ao cliente. A monitorização nestes pontos é feita periodicamente e não em tempo real, ficando aquém do necessário para assegurar a deteção correta de problemas de qualidade de energia no lado do consumidor. De facto, a metodologia de monitorização utilizada atualmente envolve o envio de técnicos ao local onde surgiu uma reclamação ou a um ponto de medição previsto para instalar um analisador de energia que permanece na instalação durante um determinado período de tempo. Este tipo de monitorização à posteriori impossibilita desde logo a deteção do problema de qualidade de energia que levou à reclamação, caso não se trate de um problema contínuo. Na melhor situação, o aparelho poderá detetar uma réplica do evento, mas a larga percentagem anomalias ficam fora deste processo por serem extemporâneas. De facto, para detetar o evento que deu origem ao problema é necessário monitorizar permanentemente a qualidade de energia. No entanto este método de monitorização implica a instalação permanente de equipamentos e não é viável do ponto de vista das empresas de distribuição de energia já que os equipamentos têm custos demasiado elevados e implicam a necessidade de espaços maiores nos pontos de entrega para conter os equipamentos e o contador elétrico. Uma alternativa possível que pode tornar viável a monitorização permanente da qualidade de energia consiste na introdução de uma funcionalidade de monitorização nos contadores de energia de determinados pontos da rede de distribuição. Os contadores são obrigatórios em todas as instalações ligadas à rede, para efeitos de faturação. Tradicionalmente estes contadores são eletromecânicos e recentemente começaram a ser substituídos por contadores inteligentes (smart meters), de natureza eletrónica, que para além de fazer a contagem de energia permitem a recolha de informação sobre outros parâmetros e aplicação de uma serie de funcionalidades pelo operador de rede de distribuição devido às suas capacidades de comunicação. A reutilização deste equipamento com finalidade de analisar a qualidade da energia junto dos pontos de entrega surge assim como uma forma privilegiada dado que se trata essencialmente de explorar algumas das suas características adicionais. Este trabalho tem como objetivo analisar a possibilidade descrita de monitorizar a qualidade de energia elétrica de forma permanente no ponto de entrega ao cliente através da utilização do contador elétrico do mesmo e elaborar um conjunto de requisitos para o contador tendo em conta a normalização aplicável, as características dos equipamentos utilizados atualmente pelo operador de rede e as necessidades do sistema elétrico relativamente à monitorização de qualidade de energia.

FEM based Virtual Prototyping and Design of Third Harmonic Excitation System for Low Voltage Brushless Alternators

Salient pole brushless alternators coupled to IC engines are extensively used as stand-by power supply units for meeting in- dustrial power demands. Design of such generators demands high power to weight ratio, high e ciency and low cost per KVA out- put. Moreover, the performance characteristics of such machines like voltage regulation and short circuit ratio (SCR) are critical when these machines are put into parallel operation and alterna- tors for critical applications like defence and aerospace demand very low harmonic content in the output voltage. While designing such alternators, accurate prediction of machine characteristics, including total harmonic distortion (THD) is essential to mini- mize development cost and time. Total harmonic distortion in the output voltage of alternators should be as low as possible especially when powering very sophis- ticated and critical applications. The output voltage waveform of a practical AC generator is replica of the space distribution of the ux density in the air gap and several factors such as shape of the rotor pole face, core saturation, slotting and style of coil disposition make the realization of a sinusoidal air gap ux wave impossible. These ux harmonics introduce undesirable e ects on the alternator performance like high neutral current due to triplen harmonics, voltage distortion, noise, vibration, excessive heating and also extra losses resulting in poor e ciency, which in turn necessitate de-rating of the machine especially when connected to non-linear loads. As an important control unit of brushless alternator, the excitation system and its dynamic performance has a direct impact on alternator's stability and reliability. The thesis explores design and implementation of an excitation i system utilizing third harmonic ux in the air gap of brushless al- ternators, using an additional auxiliary winding, wound for 1=3rd pole pitch, embedded into the stator slots and electrically iso- lated from the main winding. In the third harmonic excitation system, the combined e ect of two auxiliary windings, one with 2=3rd pitch and another third harmonic winding with 1=3rd pitch, are used to ensure good voltage regulation without an electronic automatic voltage regulator (AVR) and also reduces the total harmonic content in the output voltage, cost e ectively. The design of the third harmonic winding by analytic methods demands accurate calculation of third harmonic ux density in the air gap of the machine. However, precise estimation of the amplitude of third harmonic ux in the air gap of a machine by conventional design procedures is di cult due to complex geome- try of the machine and non-linear characteristics of the magnetic materials. As such, prediction of the eld parameters by conven- tional design methods is unreliable and hence virtual prototyping of the machine is done to enable accurate design of the third har- monic excitation system. In the design and development cycle of electrical machines, it is recognized that the use of analytical and experimental methods followed by expensive and in exible prototyping is time consum- ing and no longer cost e ective. Due to advancements in com- putational capabilities over recent years, nite element method (FEM) based virtual prototyping has become an attractive al- ternative to well established semi-analytical and empirical design methods as well as to the still popular trial and error approach followed by the costly and time consuming prototyping. Hence, by virtually prototyping the alternator using FEM, the important performance characteristics of the machine are predicted. Design of third harmonic excitation system is done with the help of results obtained from virtual prototype of the machine. Third harmonic excitation (THE) system is implemented in a 45 KVA ii experimental machine and experiments are conducted to validate the simulation results. Simulation and experimental results show that by utilizing third harmonic ux in the air gap of the ma- chine for excitation purposes during loaded conditions, triplen harmonic content in the output phase voltage is signi cantly re- duced. The prototype machine with third harmonic excitation system designed and developed based on FEM analysis proved to be economical due to its simplicity and has the added advan- tage of reduced harmonics in the output phase voltage.

Strategic capacitor placement in distribution systems by minimisation of harmonics amplification because of resonance

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

A new three-phase transformer modeling for three-phase harmonic analysis in distribution systems

This work presents a new three-phase transformer modeling suitable for simulations in Pspice environment, which until now represents the electrical characteristics of a real transformer. It is proposed the model comparison to a three-phase transformer modeling present in EMTP - ATP program, which includes the electrical and magnetic characteristics. In addition, a set including non-linear loads and a real three-phase transformer was prepared in order to compare and validate the results of this new proposed model. The three-phase Pspice transformer modeling, different from the conventional one using inductance coupling, is remarkable for its simplicity and ease in simulation process, since it uses available voltage and current sources present in Pspice program, enabling simulations of three-phase network system including the most common configuration, three wires in the primary side and four wires in the secondary side (three-phases and neutral). Finally, the proposed modeling becomes a powerful tool for three-phase network simulations due to its simplicity and accuracy, able to simulate and analyze harmonic flow in three-phase systems under balanced and unbalanced conditions.

An AC voltage regulator with high-power-factor, and control using a FPGA device

This paper presents the analysis, design, simulation, and experimental results for a high frequency high Power-Factor (PF) AC (Alternate Current) voltage regulator, using a Sepic converter as power stage. The control technique employed to impose a sinusoidal input current waveform, with low Total Harmonic Distortion (THD), is the sinusoidal variable hysteresis control. The control technique was implemented in a FPGA (Field Programmable Gate Array) device, using a Hardware Description Language (VHDL). Through the use of the proposed control technique, the AC voltage regulator performs active power-factor correction, and low THD in the input current, for linear and non-linear loads, satisfying the requirements of the EEC61000-3-2 standards. Experimental results from an example prototype, designed for 300W of nominal output power, 50kHz (switching frequency), and 127Vrms of nominal input and output voltages, are presented in order to validate the proposed AC regulator. © 2005 IEEE.

Conservative power theory discussion and evaluation by means of virtual instrumentation

Considering different single and multiphase circuits feeding linear and non-linear loads, this paper presents theoretical discussions and experimental evaluation of the recent Conservative Power Theory (CPT), by means of Virtual Instrumentation concepts. The main goal is to analyze the results of such power theory definitions under nonsinusoidal and unbalanced conditions, pointing out its major advantages, possible drawbacks or relevant aspects for discussion. © 2009 IEEE.

Harmonic content identification based on neural method for single phase power systems

An alternative method is presented in this paper to identify the harmonic components of non-linear loads in single phase power systems based on artificial neural networks. The components are identified by analyzing the single phase current waveform in time domain in half-cycle of the ac voltage source. The proposed method is compared to the fast Fourier transform. Simulation and experimental results are presented to validate the proposed approach.

Accountability and revenue metering in smart micro-grids

Smart micro-grids offer a new challenging domain for power theories and metering techniques, because they include a variety of intermittent power sources which positively impact on power flow and distribution losses, but may cause voltage asymmetry and frequency variation. Due to the limited power capability of smart micro-grids, the voltage distortion can also get worse (in case of supplying non-linear loads), affecting measurement accuracy and possibly causing tripping of protections. In such a context, a reconsideration of power theories is required, since they form the basis for supply and load characterization. A revision of revenue metering techniques is also needed, to ensure a correct penalization of the loads for their responsibility in generating reactive power, voltage unbalance and distortion. This paper shows that the Conservative Power Theory (CPT) provides a suitable background to cope with smart grids characterization and metering needs. Experimental results validate the proposed approach. © 2010 IEEE.

Utilização de redes neurais recorrentes na caracterização de cargas não lineares em sistemas elétricos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Efeitos das distorções harmônicas (tensões e correntes) e desequilíbrios (tensões) em medidores eletrônicos trifásicos de energia elétrica ativa

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise e aplicação de compensação reativa em redes secundária de distribuição com cargas não lineares

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo da teoria de potência conservativa para análise de sistemas elétricos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise experimental de erros de medição de energia elétrica ativa em medidores eletromagnéticos tipo indução, sujeitos a distorções harmônicas de correntes e tensões, em sistemas equilibrados e desequilibrados

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Análise de controladores eletrônicos em sistemas de distribuição de energia

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS