Power system stability of a small sized isolated network supplied by a combined wind-pumped storage generation system: a case study in the Canary Islands

Massive integration of renewable energy sources in electrical power systems of remote islands is a subject of current interest. The increasing cost of fossil fuels, transport costs to isolated sites and environmental concerns constitute a serious drawback to the use of conventional fossil fuel plants. In a weak electrical grid, as it is typical on an island, if a large amount of conventional generation is substituted by renewable energy sources, power system safety and stability can be compromised, in the case of large grid disturbances. In this work, a model for transient stability analysis of an isolated electrical grid exclusively fed from a combination of renewable energy sources has been studied. This new generation model will be installed in El Hierro Island, in Spain. Additionally, an operation strategy to coordinate the generation units (wind, hydro) is also established. Attention is given to the assessment of inertial energy and reactive current to guarantee power system stability against large disturbances. The effectiveness of the proposed strategy is shown by means of simulation results.

Wind intermittency and CO2 reductions: the case of the spanish power system

Renewable energy sources are believed to reduce drastically greenhouse gas emissions that would otherwise be generated from fossil fuels used to generate electricity. This implies that a unit of renewable energy will replace a unit of fossil-fuel, with its CO2 emissions, on an equivalent basis (with no other effects on the grid). But, the fuel economy and emissions in the existing power systems are not proportional with the electricity production of intermittent sources due to cycling of the fossil fuel plants that make up the balance of the grid (i.e. changing the power output makes thermal units to operate less efficiently). This study focuses in the interactions between wind generation and thermal plants cycling, by establishing the levels of extra fuel use caused by decreased efficiencies of fossil back-up for wind electricity in Spain. We analyze the production of all thermal plants in 2011, studying different scenarios where wind penetration causes major deviations in programming, while we define a procedure for quantifying the carbon reductions by using emission factors and efficiency curves from the existing installations. The objectives are to discuss the real contributions of renewable energies to the environmental targets as well as suggest alternatives that would improve the reliability of future power systems.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Analysis of the Iberian Power Forward Price Formation

The price formation of the Iberian Energy Derivatives Market-the power futures market-starting in July 2006, is assessed until November 2011, through the evolution of the difference between forward and spot prices in the delivery period (“ex-post forward risk premium”) and the comparison with the forward generation costs from natural gas (“clean spark spread”). The premium tends to be positive in all existing mechanisms (futures, Over-the-Counter and auctions for catering part of the last resort supplies). Since year 2011, the values are smaller due to regulatorily recognized prices for coal power plants. The power futures are strongly correlated with European gas prices. The spreads built with prompt contracts tend also to be positive. The biggest ones are for the month contract, followed by the quarter contract and then by the year contract. Therefore, gas fired generation companies can maximize profits trading with contracts of shorter maturity.

Systematic Method to Assess Small-Signal Stability of DC-Distributed Power-System-Architecture

The objective of this paper is to present a simplified method to analyze small-signal stability of a power system and provide performance metrics for stability assessment of a given power-system-architecture. The stability margins are stated utilizing a concept of maximum peak criteria (MPC), derived from the behavior of an impedance-based sensitivity function that provides a single number to state the robustness of the stability of a well-defined minor-loop gain. For each minor-loop gain, defined at every system interface, the robustness of the stability is provided as a maximum value of the corresponding sensitivity function. Typically power systems comprise of various interfaces and, therefore, in order to compare different architecture solutions in terms of stability, a single number providing an overall measure of the whole system stability is required. The selected figure of merit is geometric average of each maximum peak value within the system, combined with the worst case value of system interfaces.

Saturn power generation with electrodynamic tethers in polar orbit

A power generation scheme based on bare electrodynamic tethers (EDT), working in passive mode is investigated for the purpose of supplying power to scientific missions at Saturn. The system employs a spinning EDT on a lowaltitude polar orbit which permits to efficiently convert plasmasphere energy into useful power. After optimizing the tether design for power generation we compute the supplied power along the orbit and the impact of the Lorentz force on the orbital elements as function of the tether and orbit characteristics. Although uncertainties in the current ionosphere density modeling strongly affect the performance of the system the peak power density of the EDT appears be greater than conventional power systems.

Mechanical behavior of 2G REBCO HTS at 77 and 300 K

El gran esfuerzo realizado durante la última década con el fin de integrar los diferentes materiales superconductores en el campo de los sistemas eléctricos y en otras aplicaciones tecnológicas ha dado lugar a un campo de investigación amplio y prometedor. El comportamiento eléctrico de los Superconductores de Alta Temperatura (SAT) crítica (masivo y cintas) depende de diferentes parámetros desde su fabricación hasta la aplicación final con imanes o cables. Sin embargo, las aplicaciones prácticas de estos materiales están fuertemente vinculadas con su comportamiento mecánico tanto a temperatura ambiente (manipulación durante fabricación o instalación) como a temperaturas criogénicas (condiciones de servicio). En esta tesis se ha estudiado el comportamiento mecánico de materiales masivos y cintas de alta temperatura crítica a 300 y 77 K (utilizando nitrógeno líquido). Se han obtenido la resistencia en flexión, la tenacidad de fractura y la resistencia a tracción a la temperatura de servicio y a 300 K. Adicionalmente, se ha medido la dureza mediante el ensayo Vickers y nanoindentación. El módulo Young se midió mediante tres métodos diferentes: 1) nanoindentación, 2) ensayos de flexión en tres puntos y 3) resonancia vibracional mediante grindosonic. Para cada condición de ensayo, se han analizado detalladamente las superficies de fractura y los micromecanismos de fallo. Las propiedades mecánicas de los materiales se han comparado con el fin de entender la influencia de las técnicas de procesado y de las características microestructurales de los monocristales en su comportamiento mecánico. Se ha estudiado el comportamiento electromecánico de cintas comerciales superconductoras de YBCO mediante ensayos de tracción y fatiga a 77 y 300 K. El campo completo de deformaciones en la superficie del material se ha obtenido utilizando Correlación Digital de Imágenes (DIC, por sus siglas en inglés) a 300 K. Además, se realizaron ensayos de fragmentación in situ dentro de un microscopio electrónico con el fin de estudiar la fractura de la capa superconductora y determinar la resistencia a cortante de la intercara entre el substrato y la capa cerámica. Se ha conseguido ver el proceso de la fragmentación aplicando tensión axial y finalmente, se han implementado simulaciones mediante elementos finitos para reproducir la delaminación y el fenómeno de la fragmentación. Por último, se han preparado uniones soldadas entre las capas de cobre de dos cintas superconductoras. Se ha medido la resistencia eléctrica de las uniones con el fin de evaluar el metal de soldadura y el proceso. Asimismo, se ha llevado a cabo la caracterización mecánica de las uniones mediante ensayos "single lap shear" a 300 y 77 K. El efecto del campo magnético se ha estudiado aplicando campo externo hasta 1 T perpendicular o paralelo a la cinta-unión a la temperatura de servicio (77 K). Finalmente, la distribución de tensiones en cada una de las capas de la cinta se estudió mediante simulaciones de elementos finitos, teniendo en cuenta las capas de la cinta mecánicamente más representativas (Cu-Hastelloy-Cu) que influyen en su comportamiento mecánico. The strong effort that has been made in the last years to integrate the different superconducting materials in the field of electrical power systems and other technological applications led to a wide and promising research field. The electrical behavior of High Temperature Superconducting (HTS) materials (bulk and coated conductors) depends on different parameters since their processing until their final application as magnets or cables. However, practical applications of such materials are strongly related with their mechanical performance at room temperature (handling) as well as at cryogenic temperatures (service conditions). In this thesis, the mechanical behavior of HTS bulk and coated conductors was investigated at 300 and 77 K (by immersion in liquid nitrogen). The flexural strength, the fracture toughness and the tensile strength were obtained at service temperature as well as at 300 K. Furthermore, their hardness was determined by Vickers measurements and nanoindentation and the Young's modulus was measured by three different techniques: 1) nanoindentation, 2) three-point bending tests and 3) vibrational resonance with a grindosonic device. The fracture and deformation micromechanics have been also carefully analyzed for each testing condition. The comparison between the studied materials has been performed in order to understand the influence of the main sintering methods and the microstructural characteristics of the single grains on the macroscopic mechanical behavior. The electromechanical behavior of commercial YBCO coated conductors was studied. The mechanical behavior of the tapes was studied under tensile and fatigue tests at 77 and 300 K. The complete strain field on the surface of the sample was obtained by applying Digital Image Correlation (DIC) at 300 K. Addionally, in situ fragmentation tests inside a Scanning Electron Microscope (SEM) were carried out in order to study the fragmentation of the superconducting layer and determine the interfacial shear strength between substrate and ceramic layer. The fragmentation process upon loading of the YBCO layer has been observed and finally, Finite Element Simulations were employed to reproduce delamination and fragmentation phenomena. Finally, joints between the stabilizing Cu sides of two coated conductors have been prepared. The electrical resistivity of the joints was measured for the purpose of qualifying the soldering material and evaluating the soldering process. Additionally, mechanical characterization under single lap shear tests at 300 and 77 K has been carried out. The effect of the applied magnetic field has been studied by applying external magnetic field up to 1 T perpendicular and parallel to the tape-joint at service temperature (77 K). Finally, finite element simulations were employed to study the distribution of the stresses in earch layer, taking into account the three mechanically relevant layers of the coated conductor (Cu-Hastelloy-Cu) that affect its mechanical behavior

State of the Art and Future Trends in Grid Codes Applicable to Isolated Electrical Systems

Electrical power systems are changing their traditional structure, which was based on a little number of large generating power plants placed at great distances from loads by new models that tend to split the big production nodes in many smaller ones. The set of small groups which are located close to consumers and provide safe and quality energy is called distributed generation (DG). The proximity of the sources to the loads reduces losses associated with transportation and increases overall system efficiency. DG also favors the inclusion of renewable energy sources in isolated electrical systems or remote microgrids, because they can be installed where the natural resource is located. In both cases, as weak grids unable to get help from other nearby networks, it is essential to ensure appropriate behavior of DG sources to guarantee power system safety and stability. The grid codes sets out the technical requirements to be fulfilled for the sources connected in these electrical networks. In technical literature it is rather easy to find and compare grid codes for interconnected electrical systems. However, the existing literature is incomplete and sparse regarding isolated electrical systems and this happens due to the difficulties inherent in the pursuit of codes. Some countries have developed their own legislation only for their island territory (as Spain or France), others apply the same set of rules as in mainland, another group of island countries have elaborated a complete grid code for all generating sources and some others lack specific regulation. This paper aims to make a complete review of the state of the art in grid codes applicable to isolated systems, setting the comparison between them and defining the guidelines predictably followed by the upcoming regulations in these particular systems.

Hybrid wind-diesel power plant valuation and optimization using real option theory and dynamic programming

El sistema de energía eólica-diesel híbrido tiene un gran potencial en la prestación de suministro de energía a comunidades remotas. En comparación con los sistemas tradicionales de diesel, las plantas de energía híbridas ofrecen grandes ventajas tales como el suministro de capacidad de energía extra para "microgrids", reducción de los contaminantes y emisiones de gases de efecto invernadero, y la cobertura del riesgo de aumento inesperado del precio del combustible. El principal objetivo de la presente tesis es proporcionar nuevos conocimientos para la evaluación y optimización de los sistemas de energía híbrido eólico-diesel considerando las incertidumbres. Dado que la energía eólica es una variable estocástica, ésta no puede ser controlada ni predecirse con exactitud. La naturaleza incierta del viento como fuente de energía produce serios problemas tanto para la operación como para la evaluación del valor del sistema de energía eólica-diesel híbrido. Por un lado, la regulación de la potencia inyectada desde las turbinas de viento es una difícil tarea cuando opera el sistema híbrido. Por otro lado, el bene.cio económico de un sistema eólico-diesel híbrido se logra directamente a través de la energía entregada a la red de alimentación de la energía eólica. Consecuentemente, la incertidumbre de los recursos eólicos incrementa la dificultad de estimar los beneficios globales en la etapa de planificación. La principal preocupación del modelo tradicional determinista es no tener en cuenta la incertidumbre futura a la hora de tomar la decisión de operación. Con lo cual, no se prevé las acciones operativas flexibles en respuesta a los escenarios futuros. El análisis del rendimiento y simulación por ordenador en el Proyecto Eólico San Cristóbal demuestra que la incertidumbre sobre la energía eólica, las estrategias de control, almacenamiento de energía, y la curva de potencia de aerogeneradores tienen un impacto significativo sobre el rendimiento del sistema. En la presente tesis, se analiza la relación entre la teoría de valoración de opciones y el proceso de toma de decisiones. La opción real se desarrolla con un modelo y se presenta a través de ejemplos prácticos para evaluar el valor de los sistemas de energía eólica-diesel híbridos. Los resultados muestran que las opciones operacionales pueden aportar un valor adicional para el sistema de energía híbrida, cuando esta flexibilidad operativa se utiliza correctamente. Este marco se puede aplicar en la optimización de la operación a corto plazo teniendo en cuenta la naturaleza dependiente de la trayectoria de la política óptima de despacho, dadas las plausibles futuras realizaciones de la producción de energía eólica. En comparación con los métodos de valoración y optimización existentes, el resultado del caso de estudio numérico muestra que la política de operación resultante del modelo de optimización propuesto presenta una notable actuación en la reducción del con- sumo total de combustible del sistema eólico-diesel. Con el .n de tomar decisiones óptimas, los operadores de plantas de energía y los gestores de éstas no deben centrarse sólo en el resultado directo de cada acción operativa, tampoco deberían tomar decisiones deterministas. La forma correcta es gestionar dinámicamente el sistema de energía teniendo en cuenta el valor futuro condicionado en cada opción frente a la incertidumbre. ABSTRACT Hybrid wind-diesel power systems have a great potential in providing energy supply to remote communities. Compared with the traditional diesel systems, hybrid power plants are providing many advantages such as providing extra energy capacity to the micro-grid, reducing pollution and greenhouse-gas emissions, and hedging the risk of unexpected fuel price increases. This dissertation aims at providing novel insights for assessing and optimizing hybrid wind-diesel power systems considering the related uncertainties. Since wind power can neither be controlled nor accurately predicted, the energy harvested from a wind turbine may be considered a stochastic variable. This uncertain nature of wind energy source results in serious problems for both the operation and value assessment of the hybrid wind-diesel power system. On the one hand, regulating the uncertain power injected from wind turbines is a difficult task when operating the hybrid system. On the other hand, the economic profit of a hybrid wind-diesel system is achieved directly through the energy delivered to the power grid from the wind energy. Therefore, the uncertainty of wind resources has increased the difficulty in estimating the total benefits in the planning stage. The main concern of the traditional deterministic model is that it does not consider the future uncertainty when making the dispatch decision. Thus, it does not provide flexible operational actions in response to the uncertain future scenarios. Performance analysis and computer simulation on the San Cristobal Wind Project demonstrate that the wind power uncertainty, control strategies, energy storage, and the wind turbine power curve have a significant impact on the performance of the system. In this dissertation, the relationship between option pricing theory and decision making process is discussed. A real option model is developed and presented through practical examples for assessing the value of hybrid wind-diesel power systems. Results show that operational options can provide additional value to the hybrid power system when this operational flexibility is correctly utilized. This framework can be applied in optimizing short term dispatch decisions considering the path-dependent nature of the optimal dispatch policy, given the plausible future realizations of the wind power production. Comparing with the existing valuation and optimization methods, result from numerical example shows that the dispatch policy resulting from the proposed optimization model exhibits a remarkable performance in minimizing the total fuel consumption of the wind-diesel system. In order to make optimal decisions, power plant operators and managers should not just focus on the direct outcome of each operational action; neither should they make deterministic decisions. The correct way is to dynamically manage the power system by taking into consideration the conditional future value in each option in response to the uncertainty.

Pre-investigation of water electrolysis for flexible energy storage at large scales: the case of the Spanish power system

This report analyzes the basis of hydrogen and power integration strategies, by using water electrolysis processes as a means of flexible energy storage at large scales. It is a prospective study, where the scope is to describe the characteristics of current power systems (like the generation technologies, load curves and grid constraints), and define future scenarios of hydrogen for balancing the electrical grids, considering the efficiency, economy and easiness of operations. We focus in the "Spanish case", which is a good example for planning the transition from a power system holding large reserve capacities, high penetration of renewable energies and limited interconnections, to a more sustainable energy system being capable to optimize the volumes, the regulation modes, the utilization ratios and the impacts of the installations. Thus, we explore a novel aspect of the "hydrogen economy" which is based in the potentials of existing power systems and the properties of hydrogen as energy carrier, by considering the electricity generation and demand globally and determining the optimal size and operation of the hydrogen production processes along the country; e.g. the cost production of hydrogen becomes viable for a base-load scenario with 58 TWh/year of power surplus at 0.025 V/kWh, and large number electrolyzer plants (50 MW) running in variable mode (1-12 kA/m2)

Aplicação de sistema especialista para localização de defeitos em redes de distribuição.

Com o objetivo de orientar e agilizar a busca do local de curto circuitos em redes primárias aéreas de distribuição de energia, esta pesquisa propõe uma metodologia para localização de áreas com maior probabilidade de ser sede do defeito, utilizando variáveis Heurísticas. A metodologia Heurística se aplica em problemas que envolvem variáveis com incertezas, que podem ser avaliadas por meio de recursos empíricos e na experiência de especialistas. Dentre as variáveis influentes no cálculo de curto circuito, foram consideradas como mais relevantes: a resistência de defeito, a tensão pré falta, a impedância do sistema equivalente a montante da subestação e a impedância da rede. A metodologia proposta se fundamenta no conhecimento das correntes e tensões oscilografadas no barramento da subestação por ocasião da ocorrência de um curto circuito e, por outro lado no pré-calculo de correntes de curto circuito heurísticas ao longo da rede. No âmbito da pesquisa foram realizados testes de campo para levantamento da variável heurística resistência de defeito, resumidos neste texto e documentados no CD - ROM em anexo. Foi desenvolvido um software que permitiu a efetiva aplicação da proposta desta pesquisa em vários alimentadores de uma Distribuidora, cujos resultados comprovaram a eficiência da metodologia.

Sistema inteligente baseado em decomposição por componentes ortogonais e inferência fuzzy para localização de faltas de alta impedância em sistemas de distribuição de energia elétrica com geração distribuída

Os sistemas elétricos de potência modernos apresentam inúmeros desafios em sua operação. Nos sistemas de distribuição de energia elétrica, devido à grande ramificação, presença de extensos ramais monofásicos, à dinâmica das cargas e demais particularidades inerentes, a localização de faltas representa um dos maiores desafios. Das barreiras encontradas, a influência da impedância de falta é uma das maiores, afetando significativamente a aplicação dos métodos tradicionais na localização, visto que a magnitude das correntes de falta é similar à da corrente de carga. Neste sentido, esta tese objetivou desenvolver um sistema inteligente para localização de faltas de alta impedância, o qual foi embasado na aplicação da técnica de decomposição por componentes ortogonais no pré-processamento das variáveis e inferência fuzzy para interpretar as não-linearidades do Sistemas de Distribuição com presença de Geração Distribuída. Os dados para treinamento do sistema inteligente foram obtidos a partir de simulações computacionais de um alimentador real, considerando uma modelagem não-linear da falta de alta impedância. O sistema fuzzy resultante foi capaz de estimar as distâncias de falta com um erro absoluto médio inferior a 500 m e um erro absoluto máximo da ordem de 1,5 km, em um alimentador com cerca de 18 km de extensão. Tais resultados equivalem a um grau de exatidão, para a maior parte das ocorrências, dentro do intervalo de ±10%.

Aplicações híbridas entre sistemas multiagentes e técnicas de inteligência artificial para redes inteligentes de distribuição de energia elétrica

Os smart grids representam a nova geração dos sistemas elétricos de potência, combinando avanços em computação, sistemas de comunicação, processos distribuídos e inteligência artificial para prover novas funcionalidades quanto ao acompanhamento em tempo real da demanda e do consumo de energia elétrica, gerenciamento em larga escala de geradores distribuídos, entre outras, a partir de um sistema de controle distribuído sobre a rede elétrica. Esta estrutura modifica profundamente a maneira como se realiza o planejamento e a operação de sistemas elétricos nos dias de hoje, em especial os de distribuição, e há interessantes possibilidades de pesquisa e desenvolvimento possibilitada pela busca da implementação destas funcionalidades. Com esse cenário em vista, o presente trabalho utiliza uma abordagem baseada no uso de sistemas multiagentes para simular esse tipo de sistema de distribuição de energia elétrica, considerando opções de controle distintas. A utilização da tecnologia de sistemas multiagentes para a simulação é baseada na conceituação de smart grids como um sistema distribuído, algo também realizado nesse trabalho. Para validar a proposta, foram simuladas três funcionalidades esperadas dessas redes elétricas: classificação de cargas não-lineares; gerenciamento de perfil de tensão; e reconfiguração topológica com a finalidade de reduzir as perdas elétricas. Todas as modelagens e desenvolvimentos destes estudos estão aqui relatados. Por fim, o trabalho se propõe a identificar os sistemas multiagentes como uma tecnologia a ser empregada tanto para a pesquisa, quanto para implementação dessas redes elétricas.

Logística operacional: alocação de bases operacionais em distribuição de energia elétrica.

Ser eficiente é um requisito para a sustentabilidade das empresas concessionárias de distribuição de energia elétrica no Brasil. A busca pela eficiência deve estar em harmonia com a melhoria contínua da qualidade, da segurança e da satisfação dos consumidores e das partes envolvidas. O desafio de atender múltiplos objetivos requer que as empresas do setor desenvolvam soluções inovadoras, com a mudança de processos, tecnologia, estrutura e a capacitação das pessoas. Desenvolver um modelo operacional eficiente e uma gestão rigorosa dos custos são fatores-chave para o sucesso das empresas, considerando o contexto regulatório de revisão tarifária que incentiva a melhoria do desempenho. O modelo operacional é definido a partir da organização logística dos recursos para atendimento da demanda de serviços, que define também os custos fixos e variáveis de pessoal (salário, horas extras, refeições), infraestrutura (manutenção de prédios, ferramentas e equipamentos) e deslocamentos (manutenção de veículos, combustível), por exemplo. A melhor alocação e o melhor dimensionamento de bases operacionais possibilitam a redução dos custos com deslocamento e infraestrutura, favorecendo o aproveitamento da força de trabalho em campo, a melhoria do atendimento dos clientes e da segurança dos colaboradores. Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização de custos através da alocação de bases e equipes operacionais, com o modelamento matemático dos objetivos e restrições do negócio e a aplicação de algoritmo evolutivo para busca das melhores soluções, sendo uma aplicação de Pesquisa Operacional, no campo da Localização de Instalações, em distribuição de energia elétrica. O modelo de otimização desenvolvido possibilita a busca pelo ponto de equilíbrio ótimo que minimiza o custo total formado pelos custos de infraestrutura, frota (veículos e deslocamentos) e pessoal. O algoritmo evolutivo aplicado no modelo oferece soluções otimizadas pelo melhoramento de conjuntos de variáveis binárias com base em conceitos da evolução genética. O modelo de otimização fornece o detalhamento de toda a estrutura operacional e de custos para uma determinada solução do problema, utilizando premissas de produtividade e deslocamentos (velocidades e distâncias) para definir as abrangências de atuação das bases operacionais, recursos (equipes, pessoas, veículos) necessários para atendimento da demanda de serviços, e projetar todos os custos fixos e variáveis associados. A metodologia desenvolvida neste trabalho considera também a projeção de demanda futura para a aplicação no estudo de caso, que evidenciou a efetividade da metodologia como ferramenta para a melhoria da eficiência operacional em empresas de distribuição de energia elétrica.

THE DESIGN OF A POWER SYSTEM FOR A WIRELESS SENSOR NETWORK FOR LONG-TERM OPERATION

Wireless sensor networks (WSNs) have shown wide applicability to many fields including monitoring of environmental, civil, and industrial settings. WSNs however are resource constrained by many competing factors that span their hardware, software, and networking. One of the central resource constrains is the charge consumption of WSN nodes. With finite energy supplies, low charge consumption is needed to ensure long lifetimes and success of WSNs. This thesis details the design of a power system to support long-term operation of WSNs. The power system’s development occurs in parallel with a custom WSN from the Queen’s MEMS Lab (QML-WSN), with the goal of supporting a 1+ year lifetime without sacrificing functionality. The final power system design utilizes a TPS62740 DC-DC converter with AA alkaline batteries to efficiently supply the nodes while providing battery monitoring functionality and an expansion slot for future development. Testing tools for measuring current draw and charge consumption were created along with analysis and processing software. Through their use charge consumption of the power system was drastically lowered and issues in QML-WSN were identified and resolved including the proper shutdown of accelerometers, and incorrect microcontroller unit (MCU) power pin connection. Controlled current profiling revealed unexpected behaviour of nodes and detailed current-voltage relationships. These relationships were utilized with a lifetime projection model to estimate a lifetime between 521-551 days, depending on the mode of operation. The power system and QML-WSN were tested over a long term trial lasting 272+ days in an industrial testbed to monitor an air compressor pump. Environmental factors were found to influence the behaviour of nodes leading to increased charge consumption, while a node in an office setting was still operating at the conclusion of the trail. This agrees with the lifetime projection and gives a strong indication that a 1+ year lifetime is achievable. Additionally, a light-weight charge consumption model was developed which allows charge consumption information of nodes in a distributed WSN to be monitored. This model was tested in a laboratory setting demonstrating +95% accuracy for high packet reception rate WSNs across varying data rates, battery supply capacities, and runtimes up to full battery depletion.