Power converter topologies for wind energy conversion systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation

This paper presents new integrated model for variable-speed wind energy conversion systems, considering a more accurate dynamic of the wind turbine, rotor, generator, power converter and filter. Pulse width modulation by space vector modulation associated with sliding mode is used for controlling the power converters. Also, power factor control is introduced at the output of the power converters. Comprehensive performance simulation studies are carried out with matrix, two-level and multilevel power converter topologies in order to adequately assert the system performance. Conclusions are duly drawn.

Conversor multinível NPC de cinco níveis como ondulador de tensão ligado à rede

O crescimento da utilização de accionamentos electromecânicos de velocidade variável entre outros dispositivos que necessitam de tensões elevadas, na ordem dos kV e com elevados níveis de qualidade, despertou o interesse pelos conversores multinível. Este tipo de conversor consegue alcançar elevadas tensões de funcionamento e simultaneamente melhorar a qualidade das formas de onda de tensão e corrente nas respectivas fases. Esta dissertação de mestrado tem por objectivo apresentar um estudo sobre o conversor multinível com díodos de ligação ao neutro (NPC – neutral point clamped), de cinco níveis utilizado como ondulador de tensão ligado à rede. O trabalho começa por desenvolver o modelo matemático do conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva interligação com a rede eléctrica. Com base no modelo do conversor são realizadas simulações numéricas desenvolvidas em Matlab-Simulink. Para controlo do trânsito de energia no conversor é utilizando controlo por modo de deslizamento aplicado às correntes nas fases. As simulações efectuadas são comparadas com resultados de simulação obtidos para um ondulador clássico de dois níveis. Resultados de simulação do conversor multinível são posteriormente comparados com resultados experimentais para diferentes valores de potências activa e reactiva. Foi desenvolvido um protótipo experimental de um conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva electrónica associada para comando e disparo dos semicondutores de potência.

Fractional-order control and simulation of wind energy systems with PMSG/full-power converter topology

This paper presents a new integrated model for the simulation of wind energy systems. The proposed model is more realistic and accurate, considering a variable-speed wind turbine, two-mass rotor, permanent magnet synchronous generator (PMSG), different power converter topologies, and filters. Additionally, a new control strategy is proposed for the variable-speed operation of wind turbines with PMSG/full-power converter topology, based on fractional-order controllers. Comprehensive simulation studies are carried out with matrix and multilevel power converter topologies, in order to adequately assert the system performance in what regards the quality of the energy injected into the electric grid. Finally, conclusions are duly drawn.

Wind turbines equipped with fractional-order controllers: Stress on the mechanical drive train due to a converter control malfunction

This paper is on variable-speed wind turbines with permanent magnet synchronous generator (PMSG). Three different drive train mass models and three different topologies for the power-electronic converters are considered. The three different topologies considered are respectively a matrix, a two-level and a multilevel converter. A novel control strategy, based on fractional-order controllers, is proposed for the wind turbines. Simulation results are presented to illustrate the behaviour of the wind turbines during a converter control malfunction, considering the fractional-order controllers. Finally, conclusions are duly drawn. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Modelação de torre eólica: controlo e desempenho

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

Comando de ondulador de tensão trifásico por PWM e técnica U/F com implementação por microcontrolador

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Avaliação do aumento da eficiência energética de uma central de frio

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre Em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Fuzzy, integer and fractional-order control: Application on a wind turbine benchmark model

This paper presents a comparison between proportional integral control approaches for variable speed wind turbines. Integer and fractional-order controllers are designed using linearized wind turbine model whilst fuzzy controller also takes into account system nonlinearities. These controllers operate in the full load region and the main objective is to extract maximum power from the wind turbine while ensuring the performance and reliability required to be integrated into an electric grid. The main contribution focuses on the use of fractional-order proportional integral (FOPI) controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. A comparison between proposed control approaches for the variable speed wind turbines is presented using a wind turbine benchmark model in the Matlab/Simulink environment. Results show that FOPI has improved system performance when compared with classical PI and fuzzy PI controller outperforms the integer and fractional-order control due to its capability to deal with system nonlinearities and uncertainties. © 2014 IEEE.

Fuzzy, integer and fractional-order control: application on a wind turbine benchmark model

This paper presents a comparison between proportional integral control approaches for variable speed wind turbines. Integer and fractional-order controllers are designed using linearized wind turbine model whilst fuzzy controller also takes into account system nonlinearities. These controllers operate in the full load region and the main objective is to extract maximum power from the wind turbine while ensuring the performance and reliability required to be integrated into an electric grid. The main contribution focuses on the use of fractional-order proportional integral (FOPI) controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. A comparison between proposed control approaches for the variable speed wind turbines is presented using a wind turbine benchmark model in the Matlab/Simulink environment. Results show that FOPI has improved system performance when compared with classical PI and fuzzy PI controller outperforms the integer and fractional-order control due to its capability to deal with system nonlinearities and uncertainties. © 2014 IEEE.

Performance assessment of a wind energy conversion system using a hierarchical controller structure

This paper deals with a hierarchical structure composed by an event-based supervisor in a higher level and two distinct proportional integral (PI) controllers in a lower level. The controllers are applied to a variable speed wind energy conversion system with doubly-fed induction generator, namely, the fuzzy PI control and the fractional-order PI control. The event-based supervisor analyses the operation state of the wind energy conversion system among four possible operational states: park, start-up, generating or brake and sends the operation state to the controllers in the lower level. In start-up state, the controllers only act on electric torque while pitch angle is equal to zero. In generating state, the controllers must act on the pitch angle of the blades in order to maintain the electric power around the nominal value, thus ensuring that the safety conditions required for integration in the electric grid are met. Comparisons between fuzzy PI and fractional-order PI pitch controllers applied to a wind turbine benchmark model are given and simulation results by Matlab/Simulink are shown. From the results regarding the closed loop point of view, fuzzy PI controller allows a smoother response at the expense of larger number of variations of the pitch angle, implying frequent switches between operational states. On the other hand fractional-order PI controller allows an oscillatory response with less control effort, reducing switches between operational states. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Simulation of rectifier voltage malfunction on OWECS, four-level converter, HVDC light link: Smart grid context tool

This paper presents a model for the simulation of an offshore wind system having a rectifier input voltage malfunction at one phase. The offshore wind system model comprises a variable-speed wind turbine supported on a floating platform, equipped with a permanent magnet synchronous generator using full-power four-level neutral point clamped converter. The link from the offshore floating platform to the onshore electrical grid is done through a light high voltage direct current submarine cable. The drive train is modeled by a three-mass model. Considerations about the smart grid context are offered for the use of the model in such a context. The rectifier voltage malfunction domino effect is presented as a case study to show capabilities of the model. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Aplicação de variadores de velocidade em sistemas de climatização

Por um lado vivemos numa sociedade cujos padrões de conforto são cada vez mais exigentes, por outro encontramo-nos numa era pautada por um certo declínio económico, social e também ambiental. Não se assumindo uma estratégia que limite ou diminua essas condições de conforto resta-nos atuar de forma a que os recursos utilizados para garantir esse mesmo conforto sejam utilizados da melhor forma possível. O setor dos edifícios é responsável por uma grande parcela de consumo de energia na sociedade atual, sendo que os sistemas de climatização que dele fazem parte, apresentam.se na maioria dos casos como os grandes consumidores de energia. Nesse sentido têm sido feitos esforços enormes no sentido de encontrar soluções que garantam a eficiência energética destes sistemas. O Variador Eletrónico de Velocidade apresenta-se como uma das soluções amplamente difundidas, na vertente do controle de processos e economia de energia. A sua aplicação em sistema de climatização é mais um desses casos. Nesse sentido, numa primeira parte é feito o estudo das características e funcionamento dos Variadores de Velocidade, Sistemas de Climatização e sua aplicação conjunta. Em seguida é realizada uma aplicação informática que pretende demonstrar a economia de energia garantida por aplicação de um Variador de Velocidade.

Controlo da velocidade e posição de um tapete rolante

A utilização eficiente da energia é essencial para a competitividade económica de um país. Sendo a intensidade energética de Portugal elevada, onde a utilização de motores elétricos, absorve cerca de metade da energia elétrica consumida na indústria, a utilização de conversores eletrónicos de potência permite obter economias de energia. Nesta tese pretende-se controlar a velocidade e o posicionamento de um tapete rolante através da utilização de um conversor eletrónico de potência. Na fundamentação teórica são referidos os conceitos de variação da tensão e frequência, controle escalar e vetorial, modelação por largura de pulso (PWM) assim como a retificação e ondulação da tensão de um variador de velocidades. Na parte prática será utilizado um servo motor, controlado por um variador eletrónico de velocidades, para efetuar o referido projeto. É ainda objeto desta tese o estudo dos parâmetros fundamentais assim como a pesquisa dos parâmetros a utilizar para o desempenho pretendido.

Impacto das medidas de conservação de energia em projeto na redução da intensidade de utilização de matérias-primas na construção de um edifício

O presente trabalho pretende mostrar que a aplicação de medidas de conservação de energia (MCE) pode representar uma redução da intensidade de utilização de matérias-primas na construção de um edifício. Mais concretamente, pode representar uma redução da utilização de materiais e equipamentos, e como consequência, uma redução no esforço económico ao primeiro investimento. Podendo posteriormente representar uma redução na utilização de energia durante o período de funcionamento do edifício. A aplicação de MCE no sector da construção tem vindo a ser uma prática corrente nos novos edifícios e edifícios sujeitos a grandes intervenções de reabilitação. Esta prática deve-se à obrigatoriedade de cumprimento de requisitos regulamentares aplicados à otimização do desempenho energético dos edifícios e dos seus sistemas técnicos, nomeadamente, o RCCTE e o RSECE, entretanto revogados pelo REH e pelo RECS, respetivamente. A implementação de MCE apresenta, na maioria dos casos, benefícios económicos para o promotor do edifício, uma vez que se traduz muitas vezes, na otimização do dimensionamento dos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC). Esta otimização permite reduzir os custos associados ao primeiro investimento, bem como na utilização de energia por parte do utilizador, logo na redução dos custos de exploração. No entanto, a falta de quantificação dos impactos do dimensionamento dos sistemas AVAC, da redução de utilização de energia e da análise do custo-benefício da sua aplicação pode condicionar o interesse na sua implementação. Neste contexto, surge a presente dissertação, por iniciativa do Instituto Soldadura e Qualidade (ISQ), aplicado a um caso prático de um edifício já construído e propriedade daquela empresa. Com este trabalho pretende-se avaliar o contributo efetivo das MCE implementadas na fase de projeto e na fase de construção, quer na otimização da dimensão de sistemas e equipamentos AVAC, por via da redução das necessidades energéticas, quer na redução de utilização de energia, permitindo, de seguida, uma avaliação custo-benefício.Na base do caso de estudo está o ECOTERMOLAB, o edifício acima referido, adquirido pelo ISQ para instalação de um laboratório de formação, investigação e desenvolvimento na área da energia. Após aquisição pelo ISQ, o edifício sofreu várias alterações/beneficiações, entre as quais a implementação de MCE, tais como, a aplicação de isolamento térmico na envolvente opaca (paredes, pavimentos e coberturas), duplicação dos vãos envidraçados simples, conferindo-lhes melhores caraterísticas térmicas, e pela aplicação de proteções solar. Foram ainda adotadas MCE aos sistemas AVAC, designadamente, pela adoção de recuperadores de calor nas Unidades de Tratamento de Ar Novo (UTAN’s) e de variadores de velocidade nas bombas de circulação de água e nos ventiladores de ar das UTAN’s. Pretendia o ISQ concluir se a aplicação de todas as MCE contribuiu de forma efetiva para o dimensionamento de sistemas e equipamentos AVAC de menor capacidade e, consequentemente, numa redução de utilização de energia. Em sequência, pretendia avaliar a viabilidade económica da aplicação de todas as MCE, estimando o sobrecusto inicial e o tempo necessário para o retorno financeiro daquele investimento. Para alcançar os objetivos propostos, procedeu-se à simulação energética dinâmica do ECOTERMOLAB, utilizando o programa EnergyPlus. Primeiro foi simulada uma situação base do edifício, sem quaisquer MCE. Posteriormente foi caraterizada cada uma das situações de aplicação das MCE, com o objetivo de avaliar o respetivo impacto individual na utilização de energia pelos sistemas AVAC. Por último foram assumidas todas as soluções em conjunto para avaliar o impacto final de todas as MCE na utilização de energia dos sistemas AVAC, bem como no seu dimensionamento. Das simulações dinâmicas foram obtidos os valores das necessidades de aquecimento e arrefecimento, de energia utilizada pelos sistemas AVAC e de caudais de água aquecida e arrefecida circulada. Com estes valores foi feita uma estimativa de dimensionamento dos equipamentos e componentes AVAC para as situações da aplicação de todas as MCE no ECOTERMOLAB e a sua ausência. A partir da diferença dos custos de aquisição dos respetivos equipamentos e dos valores de poupança em energia foi realizado o estudo da viabilidade económica da implementação das MCE neste edifício. Este estudo permitiu concluir que a aplicação das MCE no ECOTERMOLAB levou à redução da dimensão na generalidade dos equipamentos e componentes AVAC. Permitiu, ainda, concluir que houve uma diminuição de utilização de energia por parte destes sistemas e equipamentos para o aquecimento e arrefecimento. Conclui-se ainda que o período de retorno (Payback) do sobrecusto inicial, estimado em 37.822€ é de, aproximadamente, onze anos e meio, para um valor atual líquido (VAL) de 8.061€ e à taxa interna de rentabilidade (TIR) de 7,03%.

Simulation of OWES with five-Level converter linked to the grid: Harmonic assessment

This paper deals with a computing simulation for an offshore wind energy system taking into account the influence of the marine waves action throughout the floating platform. The wind energy system has a variable-speed turbine equipped with a permanent magnet synchronous generator and a full-power five level converter, injecting energy into the electric grid through a high voltage alternate current link. A reduction on the unbalance of the voltage in the DC-link capacitors of the five-level converter is proposed by a strategic selection of the output voltage vectors. The model for the drive train of the wind energy system is a two mass model, including the dynamics of the floating platform. A case study is presented and the assessment of the quality of the energy injected into the electric grid is discussed.