Simulação de um sistema aerogerador com controlo óptimo predictivo

Nesta dissertação de mestrado propõe-se simular um sistema para melhorar a qualidade da energia eléctrica produzida por um parque eólico, utilizando conversores multinível NPC costas com costas e controlo óptimo predictivo. Neste trabalho é feito o controlo da potência activa e reactiva que é fornecida à rede de energia eléctrica, a partir de um gerador eólico e é optimizada a forma de onda alternada e sinusoidal de tensão trifásica sem neutro, minimizando o tremor das correntes e a distorção harmónica total, contribuindo para melhorar a qualidade de energia da rede ou de sistemas de alimentação para aplicações críticas como são os sistemas de telecomunicações. Recorre-se ao Matlab/Simulink para simular e comparar os resultados obtidos no sistema de conversão de energia de um parque eólico com o conversor costas com costas com controlo óptimo predictivo com os resultados obtidos com o conversor costas com costas PWM, disponível na biblioteca do software de simulação.

Controlo clássico vs. preditivo na regulação de frequência em sistemas de potência

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

Sistema de conversão de energia eólica baseado no gerador de indução duplamente alimentado: análise e contribuição ao controle da máquina

The humanity reached a time of unprecedented technological development. Science has achieved and continues to achieve technologies that allowed increasingly to understand the universe and the laws which govern it, and also try to coexist without destroying the planet we live on. One of the main challenges of the XXI century is to seek and increase new sources of clean energy, renewable and able to sustain our growth and lifestyle. It is the duty of every researcher engage and contribute in this race of energy. In this context, wind power presents itself as one of the great promises for the future of electricity generation . Despite being a bit older than other sources of renewable energy, wind power still presents a wide field for improvement. The development of new techniques for control of the generator along with the development of research laboratories specializing in wind generation are one of the key points to improve the performance, efficiency and reliability of the system. Appropriate control of back-to-back converter scheme allows wind turbines based on the doubly-fed induction generator to operate in the variable-speed mode, whose benefits include maximum power extraction, reactive power injection and mechanical stress reduction. The generator-side converter provides control of active and reactive power injected into the grid, whereas the grid-side converter provides control of the DC link voltage and bi-directional power flow. The conventional control structure uses PI controllers with feed-forward compensation of cross-coupling dq terms. This control technique is sensitive to model uncertainties and the compensation of dynamic dq terms results on a competing control strategy. Therefore, to overcome these problems, it is proposed in this thesis a robust internal model based state-feedback control structure in order to eliminate the cross-coupling terms and thereby improve the generator drive as well as its dynamic behavior during sudden changes in wind speed. It is compared the conventional control approach with the proposed control technique for DFIG wind turbine control under both steady and gust wind conditions. Moreover, it is also proposed in this thesis an wind turbine emulator, which was developed to recreate in laboratory a realistic condition and to submit the generator to several wind speed conditions.

Adaptação de variadores industriais à excitação de geradores assíncronos: aplicação em turbinas Savonius

Este trabalho é um contributo para o desenvolvimento de sistemas de conversão de energia eólica em energia eléctrica em equipamentos comercialmente disponíveis. Com base na recolha de dados meteorológicos, foi caracterizada a disponibilidade da energia eólica num local de instalação de um sistema de geração de energia eléctrica. A exploração dos recursos eólicos pode ser caracterizada por intermédio de geradores eléctricos accionados por turbinas de eixo vertical ou de eixo horizontal. O sistema de geração projectado utiliza como gerador eléctrico a máquina assíncrona de rotor em curto-circuito accionada por uma turbina de eixo vertical do tipo Savonius. No que respeita a conversão electromecânica de energia, para realizar a excitação do gerador de indução e o controlo da potência entregue à rede, foi utilizado um conversor electrónico industrial do tipo regenerativo dedicado a accionamentos de velocidade variável. A estratégia de controlo utilizada, nos modelos desenvolvidos para simulação do sistema de geração proposto, utiliza a técnica de controlo vectorial de orientação de campo para realizar o controlo do binário do gerador de indução, colocando-o em modo de frenagem, através do qual é recolhida energia eléctrica. Tendo em vista a comprovação experimental do desempenho do sistema proposto, foi realizado em laboratório um protótipo. Neste protótipo a turbina Savonius é simulada por um accionamento mecânico constituído por um conjunto variador de velocidade - máquina síncrona de magnetos permanentes. O controlo do sistema é feito por intermédio de um processador digital de sinal (DSP). O DSP impõe a dinâmica desejada para turbina ao seu simulador electromecânico, faz o tratamento dos dados adquiridos no sistema gerador, implementa o seu controlo e estabelece a interface humano-máquina. O modelo teórico proposto para o sistema de geração e a estratégia de controlo adoptada são validados por comparação entre resultados de simulação numérica e os correspondentes resultados experimentais.

Modelação de torre eólica: controlo e desempenho

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

Reconfiguração e desenvolvimento do sistema de controlo de um AGV

O veículo guiado automaticamente (AGV) adquirido pelo Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) tem vindo a ficar obsoleto devido ao hardware, que nos dias de hoje começa a dar sinais de falhas bem como falta de peças de substituição, e ao software, sendo o PLC (Programmable Logic Controller) usado muito limitado quanto às suas funções de controlo, ficando as principais tarefas de controlo do AGV a cargo de placas eletrónicas de controlo. Para promover o controlo autónomo do AGV, foi decidido retirar toda a parte de hardware que detinha o controlo do mesmo e passou a ser um novo PLC, com maior capacidade de processamento, a executar todo o tipo de controlo necessário ao funcionamento do mesmo. O hardware considerado apenas incluí, de forma resumida, os motores responsáveis pelo movimento e direção, placa de controlo de potência dos motores, placa de interface entre as saídas digitais do PLC e as entradas da placa de controlo de potência dos motores e os demais sensores necessários à deteção de obstáculos, fins de curso da direção, sensores dos postos de trabalho e avisadores de emergência. Todo o controlo de movimento e direção bem como a seleção das ações a executar passou a ficar a cargo do software programado no PLC assim como a interação entre o sistema de supervisão instalado num posto de controlo e o PLC através de comunicação via rádio. O uso do PLC permitiu a flexibilidade de mudar facilmente a forma como as saídas digitais são usadas, ao contrário de um circuito eletrónico que necessita de uma completa remodelação, tempo de testes e implementação para efetuar a mesma função. O uso de um microcontrolador seria igualmente viável para a aplicação em causa, no entanto o uso do PLC tem a vantagem de ser robusto, mais rápido na velocidade de processamento, existência de software de interface de programação bastante intuitivo e de livre acesso, facilidade de alterar a programação localmente ou remotamente, via rádio, acesso a vários protocolos de comunicação robustos como Modbus, Canbus, Profinet, Modnet, etc., e acesso integrado de uma consola gráfica totalmente programável. iv É ainda possível a sua expansão com adição de módulos de entradas e saídas digitais e/ou analógicas permitindo expandir largamente o uso do AGV para outros fins. A solução está a ser amplamente testada e validada no Laboratório de Automação (LabA) do Departamento de Engenharia Mecânica do ISEP (Instituto Superior de Engenharia do Porto), permitindo a otimização dos sistemas de controlo de direção bem como a interatividade entre o PLC e o programa de interface/supervisão do posto de trabalho.

Comando e monitorização com PIC do conversor modulador bipolar

O presente trabalho apresenta a análise, o projecto, a implementação e os ensaios de um protótipo de comando e monitorização dum conversor de potência, um gerador modulador bipolar, através de microcontroladores PIC. Foram desenvolvidos os circuitos de comando e respectivo protótipo, o circutiro de aquisição de sinal e o sftware para comandar e monitorizar o conversor modulador bipolar.

Bancada didáctica para simulação de uma Unidade de Microgeração

Neste trabalho é desenvolvida uma bancada didáctica que permite simular o funcionamento de um sistema de microgeração. A bancada inclui uma máquina síncrona responsável pela geração de energia eléctrica acoplada a uma máquina de indução que simula a máquina primária. A máquina de indução é controlada por um sistema electrónico de controlo de potência (variador de velocidade) que permite manter constante a velocidade de rotação e consequentemente a frequência da tensão gerada pela máquina síncrona. Por sua vez, a excitação da máquina síncrona é controla por uma fonte de tensão externa. A parametrização e controlo do variador de velocidade, assim como o controlo da fonte de tensão externa, são feitos a partir dum software que corre num PC, que também monitoriza a tensão gerada pela máquina síncrona. Este software é ainda responsável pela interface com o utilizador. O software desenvolvido permite manter as características da tensão gerada pela máquina síncrona independentemente da carga imposta.

Poluição harmónica em instalações elétricas industriais

Qualidade de Energia Elétrica (QEE) pode ser definida como a ausência relativa de perturbações que afetem a correta operação de um qualquer equipamento ou instalação elétrica. As empresas distribuidoras de energia elétrica encaram hoje a QEE como um fator fundamental, sendo mesmo motivo de preocupação, dadas as necessidades dos consumidores atuais e as eventuais situações que podem conduzir a problemas de complexa resolução. Com o evoluir da tecnologia, são atualmente muito utilizados equipamentos de controlo e potência baseados em eletrónica de estado sólido. Estes tipos de equipamentos, para além de “poluir” a rede elétrica, também são bastante sensíveis a fatores relacionados com a qualidade da energia elétrica. Se inicialmente a qualidade da energia elétrica era considerada num domínio relativamente restrito, hoje esse domínio esta severamente alargado. Assim, preocupações específicas apenas relativas a continuidade de serviço são hoje insuficientes para as necessidades dos consumidores atuais. Neste cenário, para alem ter ]se de garantir os devidos níveis de tensão e frequência no fornecimento de energia elétrica, também tem de ser devidamente avaliada a situação correspondente ao nível de poluição harmónica.

Inversor fotovoltaico para utilização em ambiente doméstico

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Análise termodinâmica de uma central de biomassa lenhosa

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Caracterização da qualidade da energia entregue à rede por centrais de energia dos oceanos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistema híbrido fotovoltaico / eólico / diesel aplicado a um navio, do ponto de vista energético, ambiental e económico

O aumento das concentrações de Gases do Efeito Estufa e do aquecimento global exigem medidas urgentes para abrandar e atenuar as respectivas consequências, tanto para a humanidade como para o planeta. Entre estas medidas, faz parte a utilização de recursos renováveis para a produção de energia, de forma a mitigar os problemas inerentes à utilização de combustíveis fósseis. No intuito de explorar os recursos renováveis, é necessário desenvolver projectos e tecnologias que o optimizem a sua utilização. A presente dissertação centrou-se na implementação de um sistema energético híbrido FV/eólico/diesel num navio. O navio seleccionado, propriedade da Transtejo, foi o “LISBONENSE” e efetua o transporte de passageiros e viaturas entre as margens do Rio Tejo. A pesquisa de literatura, realizada a níveis nacional e global, incidiu na caracterização das emissões poluentes dos navios e respectivas consequências, e nas soluções que existem para reduzir as mesmas, com principal incidência nos sistemas de energias renováveis. Após uma pesquisa de mercado para análise da relação custo-benefício de cada tipo de componente do sistema híbrido, foram seleccionados os mais adequados para este projecto, do qual resultou: módulos FV e respectivos cabos eléctricos, turbinas eólicas, baterias de armazenamento, controladores de carga, inversores e um sistema de controlo e monitorização. O gerador a diesel considerado é o que se encontra actualmente instalado no navio. Elaborou-se um programa para o sistema de controlo, de forma a accionar o funcionamento do gerador a diesel quando necessário, isto é, quando os sistemas de energias renováveis não produzem energia eléctrica suficiente para alimentar as aplicações do navio. Completado o dimensionamento do sistema híbrido, com auxílio dos softwares HOMER e RETScreen, foi feita uma análise a nível ambiental e económico que evidenciou diversos aspectos positivos. Destaca-se a redução das emissões de CO2 em 81.56 % e a rentabilidade do projecto que, com um ciclo de vida de 20 anos, tem um período de recuperação do capital investido de cerca de 6 anos.

Instalação fotovoltaica conectada à rede : estudo experimental para a otimização do fator de dimensionamento

Este trabalho apresenta a montagem de uma instalação fotovoltaica de 4,8 kWp conectada à rede elétrica e uma análise experimental do seu comportamento, com o propósito de otimizar o fator de dimensionamento. Para fins de análise comparativa a instalação foi dividida em três subsistemas com arranjos de potências diferentes, os quais possuem fatores de dimensionamentos de 0,65, 0,73 e 0,86 (razão entre a potência nominal do inversor e a potência do gerador fotovoltaico), respectivamente para os subsistemas 1, 2 e 3. Cada subsistema possui um arranjo formado por dois painéis que utilizam módulos de 100 Wp/24 V, com células de silício monocristalino. Estes arranjos alimentam, de forma independente, três inversores senoidais monofásicos comutados pela própria rede e com potência máxima na saída de 1100 W cada um, caracterizando desta forma uma planta modular. O sistema de aquisição de dados monitora sistematicamente a instalação a uma varredura por minuto, a fim de se obter um acompanhamento ao longo do tempo e poder caracterizá-la. São monitoradas as tensões elétricas de cada painel de módulos e as suas correspondentes correntes, as tensões elétricas e as correntes alternadas, as potências elétricas contínuas e alternadas, a irradiância no plano do gerador, as temperaturas do ar ambiente, de um módulo do gerador e dos inversores. A metodologia de análise desta instalação consiste no monitoramento, na caracterização e na quantificação das medidas adquiridas, com a finalidade de determinar correlações que possam predizer a potência injetada na rede bem como a determinação da performance energética para dias típicos ensolarados, parcialmente nublados e encobertos. A divisão da instalação em três subsistemas permitiu caracterizá-los quanto aos seus comportamentos energéticos, além de possibilitar a análise de arranjos superdimensionados, os quais fornecem uma potência superior a máxima na entrada dos inversores, originando desperdício de energia nos momentos de elevada irradiância. O método desenvolvido para determinar a energia perdida na entrada dos inversores possibilitou avaliar o quanto se perde mensalmente nos subsistemas 1 e 2, uma vez que as perdas de captura e de sistema aumentam quando o arranjo está superdimensionado e isto significa uma redução na produtividade. Com as correlações encontradas para cada subsistema e com a equação geral foi possível predizer o quanto de energia pode ser injetada na rede.

Controlo directo de potência aplicado a geradores de indução duplamente alimentados

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores