escola de engenharia departamento de eletrónica …para além de equipamentos e ferramentas de...
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Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro”
1
Escola de EngenhariaDepartamento de Eletrónica IndustrialGrupo de Eletrónica de Potência e Energia
APREN – Associação Portuguesa de Energias RenováveisCiclo de Mesas Redondas “A APREN e as Universidades” | Dia Mundial do Vento
A Energia Eólica: Presente e Futuro
João L. Afonsojla@dei.uminho.pt
TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS
Universidade do MinhoCampus de Azurém,
GuimarãesAnfiteatro B1.10
15 de Junho de 2018
Vitor Monteirovmonteiro@dei.uminho.pt
Gabriel Pintogpinto@dei.uminho.pt
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro”
Organização
- 6 Linhas e 9 Grupos- Instalações na Universidade do Minho (em Guimarães e Braga)- Associação a 4 Departamentos da Universidade do Minho:
Eletrónica Industrial Produção e Sistemas Informática Sistemas de Informação
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3
GEPE – GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA
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▪ 8 Investigadores Doutorados▪ Carlos Alberto C. M. Couto – Professor Emérito
▪ João Luiz Afonso – Professor Associado com Agregação
▪ Júlio M. Sousa B. Martins – Professor Associado
▪ Manuel J. Sepúlveda Freitas – Professor Auxiliar
▪ João Carlos Aparício P. Fernandes – Professor Auxiliar
▪ José Gabriel Pinto – Professor Auxiliar
▪ Vitor Monteiro – Professor Convidado e Investigador
▪ João Carlos Amaro Ferreira – Professor do ISCTE-IUL
▪ 7 Alunos de Doutoramento▪ Bruno Exposto
▪ Augusto C. F. Wanderley
▪ Luiz Alberto L. S. Cardoso
▪ Mohamed Tanta
▪ Tiago Sousa
▪ Julio Mera
▪ Mohammad Hossein Babaee
▪ 2 Investigadores▪ Luís Barros
▪ Filipe Costa
▪ 15 Alunos de Mestrado
MEMBROS DO GEPE
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LABORATÓRIO DO GEPE
Para além de equipamentos e ferramentas de software para desenvolvimento de soluções de Eletrónica de Potência, o Laboratório do GEPE conta com 2 quadros elétricos, de 50 kVA e 138 kVA, que alimentam tomadas trifásicas de 16 A, 32 A, 50 A e 200 A, e possui um conjunto de cagas configurável com potência ativa máxima de 140 kW.
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ENQUADRAMENTO
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ENQUADRAMENTO
https://yearbook.enerdata.net/
Consumo Total de Energia à Escala Mundial (2016)
MTOE: Million Tonnesof Oil Equivalent
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ENQUADRAMENTO
https://yearbook.enerdata.net/
Participação de Renováveis na Produção de Energia Elétrica à Escala Mundial (2016)
MTOE: Million Tonnesof Oil Equivalent
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ENQUADRAMENTO
Evolução da Potência Instalada em Portugal de Origem Renovável
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SMART GRIDS
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Expertise
UPQCUnified Power
Quality Conditioner
SAPFShunt Active
Power Filter
PQMPower Quality
Monitoring
MPPT-MTMaximum Power Point
Tracking - Microwind Turbines
MPPT-PVMaximum Power Point
Tracking - Photovoltaic Panels
BBCS-SCBidirectional Battery Charging
System – Sinusoidal Consumption
CUPS
CUPS WAMS
MGS
ESS
MGS
CUPS MGS
WAMS ESS
Custom Power Systems
Wide Area Monitoring Systems
Micro Generation Systems
Energy Storage Systems
Expertise
UPQCUnified Power
Quality Conditioner
SAPFShunt Active
Power Filter
PQMPower Quality
Monitoring
MPPT-MTMaximum Power Point
Tracking - Microwind Turbines
MPPT-PVMaximum Power Point
Tracking - Photovoltaic Panels
BBCS-SCBidirectional Battery Charging
System – Sinusoidal Consumption
CUPS
CUPS WAMS
MGS
ESS
MGS
CUPS MGS
WAMS ESS
Custom Power Systems
Wide Area Monitoring Systems
Micro Generation Systems
Energy Storage Systems
Expertise
UPQCUnified Power
Quality Conditioner
SAPFShunt Active
Power Filter
PQMPower Quality
Monitoring
MPPT-MTMaximum Power Point
Tracking - Microwind Turbines
MPPT-PVMaximum Power Point
Tracking - Photovoltaic Panels
BBCS-SCBidirectional Battery Charging
System – Sinusoidal Consumption
CUPS
CUPS WAMS
MGS
ESS
MGS
CUPS MGS
WAMS ESS
Custom Power Systems
Wide Area Monitoring Systems
Micro Generation Systems
Energy Storage Systems
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SMART GRIDS
▪ As smart grids referem-se à utilização de tecnologias de eletrónica de potência e de informação para fazer com que o sistema elétrico seja mais eficiente, confiável e sustentável.
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SMART GRIDS
▪ A mobilidade elétrica está identificada como uma solução promissora para as smart grids visando melhorar o sector dos transportes e de energia, assim como otimizar a interface de energias renováveis.
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SMART GRIDS
advanced Load Shift System
(aLSS)
advanced Load Shift System
(aLSS)
house
Smart Home
house
Smart Home
Renewables
house
Smart Home
Renewables
Renewables
Substation
Substation
Substation
Substation
Substation
Substation
MV Power Grid
Smart Factory
Service Station
EV Fast Charger
EV Slow Charger
EV Slow Charger
EV Slow ChargerEV Slow Charger
EV Fast Charger
EV Fast Charger
EV Fast Charger
Batteries
Batteries
advanced Load Shift System
(aLSS)
advanced Load Shift System
(aLSS)
advanced Load Shift System
(aLSS)
Batteries
advanced Load Shift System
(aLSS)
advanced Load Shift System
(aLSS)
Batteriesadvanced Load
Shift System(aLSS)
Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grids)
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ESS
Renewables
aLSS
MV Power Grid
Substation
- Operation as a Energy Storage System (ESS)- Operation as optimized interface for renewables- Operation as Active Power FIlter (APF)
aLSS – advanced Load Shift System(Power Electronics Equipment)
Loads Loads Loads
Cloud-basedService
Platform
EV Slow Charger
Grid-to-Vehicle (G2V) and Vehicle-to-Grid (V2G) operations
Power flow with the electrical power grid
Power flow exchanged with the advanced Load Shift System (aLSS)
Power flow in the electrical loads
SMART GRIDS
Sistemas de Load Shift
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SMART GRIDS
4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 00:00
Consumo
Baixo
Consumo
Médio
Consumo
Elevado
Nível de
Consumo
Energia a custo reduzido
Energia a custo intermédio
Energia a custo elevado
Energia produzida consumida localmente
Energia produzida injetada na RESP
• A utilização de tarifas horárias pode levar a uma redução da fatura da energia elétrica, noentanto na maioria dos casos isso pode não acontecer uma vez que a maior percentagemdo consumo é feito em horas de ponta;
• A introdução das fontes de energia renovável (e.g., solar) agrava ainda mais o panorama,visto que os períodos de maior produção coincidem com os períodos de vazio.
Problema do Sistema Energético Atual
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SMART GRIDS
SOLUÇÃO: SISTEMA LOAD-SHIFT
• Um sistema Load-Shift permite retirar um melhor aproveitamento das tarifashorárias e ainda, nas instalações que possuem um sistema de autoconsumo,aumentar significativamente a eficiência do sistema de produção.
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Solução ClassicaSolução Tradicional
Veículo Elétrico
Painéis Solares
RedeElétrica
CC
CC
CA
CC
CC
CC
CA
CC
Veículo Elétrico
Painéis Solares
RedeElétrica
CC
CC
CC
CC
CA
CC
Solução PropostaSolução Proposta
SMART GRIDS
Integração de VEs com Energias Renováveis
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CargasRedeElétrica
G2V - Grid-to-Vehicle
ig
ild
iev
Veículo Elétrico
QuadroElétrico
SMART GRIDS
Modo de operação Grid-to-Vehicle (G2V).
Corrente CA sinusoidal em fase com a tensão da rede elétrica.
Carregamento das baterias com corrente ou tensão constante.
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QuadroElétrico
RedeElétrica
V2G – Vehicle-to-Grid
ig
ild
iev
Veículo Elétrico
Cargas
SMART GRIDS
Modo de operação Vehicle-to-Grid (V2G).
Corrente CA sinusoidal em oposição de fase com a tensão da rede elétrica.
Descarregamento das baterias com corrente constante.
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QuadroElétrico
RedeElétrica
H2V – Home-to-Vehicle
ig
ild
iev
Veículo Elétrico
Cargas
SMART GRIDS
Modo de operação Home-to-Vehicle (H2V) (combinado com G2V).
Valor eficaz da corrente CA em função do valor eficaz da corrente das cargas.
Carregamento das baterias com corrente ou tensão constante.
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QuadroElétrico
RedeElétrica
H2V – Home-to-Vehicle
ig
ild
iev
Veículo Elétrico
Cargas
SMART GRIDS
Modo de operação Home-to-Vehicle (H2V) (combinado com V2G).
Valor eficaz da corrente CA em função do valor eficaz da corrente das cargas.
Descarregamento das baterias com corrente variável.
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QuadroElétrico
RedeElétrica
V4G – Vechile-for-Grid
ig
ild
iev
Veículo Elétrico
Cargas
SMART GRIDS
Modo de operação Vehicle-for-Grid (V4G).
Corrente CA sinusoidal com fase ajustável em relação à tensão da rede elétrica.
Carregamento ou descarregamento das baterias com corrente constante.
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QuadroElétrico
RedeElétrica
V4G – Vechile-for-Grid
ig
ild
iev
Veículo Elétrico
Cargas
SMART GRIDS
Modo de operação Vehicle-for-Grid (V4G).
Valor instantâneo da corrente CA em função do valor instantâneo da corrente das cargas.
Carregamento ou descarregamento das baterias com corrente constante.
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QuadroElétrico
RedeElétrica
V2H – Vehicle-to-Home
iev
Veículo Elétrico
Cargas
SMART GRIDS
Modo de operação Vehicle-to-Home (V2H).
Tensão sinusoidal produzida pelo VE.
Descarregamento das baterias com corrente variável.
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QuadroElétrico
RedeElétrica
V2H – Vehicle-to-Home
ig
ild
iev
Veículo Elétrico
Cargas
SMART GRIDS
Modo de operação Vehicle-to-Home (V2H).
Tensão sinusoidal produzida pelo VE em modo UPS off-line.
Descarregamento das baterias com corrente variável.
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C E P I U M - CARRO ELÉTRICO PLUG-IN DA UNIVERSIDADE DO MINHO
https://www.gepe.dei.uminho.pt/cepium/
SMART GRIDS
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Conversores de Potência
Composto por um Conversor CA-CC
e um Conversor CC-CC Ambos com
Fluxo Bidirecional de Energia
Comunicação
Interface de Comunicação para
Fornecer o Estado de Operação dos
Conversores
Algoritmos
Sistema de Controlo dos Conversores
para Interface com a Rede Elétrica e
com as Baterias
Arquitetura Interna do Sistema de
Carregamento de Baterias On-Board
Comunicação
Energia
RedeElétrica
Baterias
Battery
Management
System (BMS)
SMART GRIDS
Arquitetura Interna de um Sistema de Carregamento de Baterias On-Board
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Vista Interna Vista Externa
SMART GRIDS
Sistema de Carregamento de Baterias On-Board Desenvolvido
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Algoritmos
Sistema de Controlo dos Conversores
para Interface com a Rede Elétrica e
com as Baterias
Arquitetura Interna do Sistema de
Carregamento de Baterias Off-Board
Comunicação
Battery
Management
System (BMS)
Energia
Sistema de
Carregamento de
Baterias On-Board
Conversores de Potência
Composto por um Conversor CA-CC
e um Conversor CC-CC Ambos com
Fluxo Bidirecional de Energia
BateriasRedeElétrica
Comunicação
Interface de Comunicação para
Fornecer o Estado de Operação dos
Conversores
SMART GRIDS
Arquitetura Interna de um Sistema de Carregamento de Baterias Off-Board
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Circuito de Potência
Sistema de Controlo e Comando
SMART GRIDS
Sistema de Carregamento de Baterias Off-Board Desenvolvido
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MICROEÓLICAS(Potências Inferiores a 10 kW)
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MICROEÓLICAS
Microeólicas de Eixo Horizontal em
ambiente urbano
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MICROEÓLICAS
Microeólicas de Eixo Vertical em Ambiente Urbano
(Urban Green Energy - EUA)
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MICROEÓLICAS
Microeólicas para produção de energia em
embarcações
(Silent Wind - Portugal)
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MICROEÓLICAS
Microeólicas em ambiente urbano
(Omniflow - Portugal)
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INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA
COM A REDE ELÉTRICA
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AC-DC Converter Boost Converter Three-phase DC-AC Converter
1. Gerador: Fornece a energia a injetar na rede elétrica (com frequência variável)
2. Conversor CA-CC: Converte a tensão alternada (CA) do gerador para continua (CC)
3. Conversor Boost: Extrai a máxima potência do gerador e eleva a tensão CC
4. Conversor CC-CA: Injeta a energia na rede de forma controlada com correntessinusoidais (frequência constante – 50 Hz)
5. Rede Elétrica: Recebe e transporta a energia até aos recetores.
Topologia do conversor trifásico para ligação com a rede elétrica
1
2 3 4
5
INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
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Motor de Indução Trifásico
JM 132M2 6
(Seipee)
Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes
GL PM 1800
(Ginlong Technologies)
Variador de Velocidade
3G3MX2-A4055-E
(OMRON)
Potência nominal: 5,5 kW
Velocidade nominal: 920 r.p.m.
Potência nominal: 1,8 kW
Velocidade nominal: 480 r.p.m.
8 pares de polos
Emulador da Microéolica
INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
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49
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
3000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Po
tên
cia
(W)
Velocidade de Rotação (rpm)
P_dc_max
P_MPPT
P_MPPT
Ensaio do gerador e Zona útil de operação do conversor
INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
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Conversor de Eletrónica de Potência
INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
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51Placa de comando monofásica
INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
Sensor de tensão CYHVS5-25A Sensor de Corrente LA 100-P
Placa de driver dos IGBTs
Placa de condicionamento de sinal
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Visão geral da bancada de trabalho
INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
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Resultados experimentais obtidos com o protótipo desenvolvido
iin
vcc
vin
ia
va
ib
vb
ic
vc
Tensões e corrente no lado CC do conversor
Tensões e correntes na rede elétrica
INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
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IRMS = 4,6 A
P = 1600 WTPF = 1
Rendimento91,9%
THD2,2%
Resultados experimentais obtidos com o protótipo desenvolvido(velocidade de rotação 3500 rpm)
INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
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Protótipo final desenvolvido de 3 kW
INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
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MICRORREDE ISOLADA
BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
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1. Gerador: Fornece a energia para alimentar a Microrrede (com frequência variável)
2. Conversor CA-CC: Converte a tensão alternada (CA) do gerador para contínua (CC)
3. Conversor CC-CC Boost: Extrai a máxima potência do gerador e gere o carregamento das baterias
4. Baterias: Equilibram a produção e consumo de energia (armazenam o excesso de produção efornecem energia quando necessário)
5. Conversor CC-CC isolado: Eleva a tensão CC para um nível adequado ao inversor
6. Inversor: Cria uma rede isolada
7. Cargas: Recetores da Microrrede, podem ser agrupados em prioritários e não prioritários
Topologia do conversor trifásico para criação da microrrede
1
2 3 4 5 6
7
MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
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58Curvas de potência resultantes dos ensaios ao gerador com carga linear e não linear
Ensaios ao Gerador
1700 rpm, 440 W
MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
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MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
Placa de comando monofásica
Placa de comando trifásica
Placa de condicionamento de sinal
Conversor de Potência
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Motor,
gerador e
variador
Circuito de
potência
Baterias
Circuito de
controlo
Visão geral da bancada de trabalho
MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
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Resultado do teste com carga linear (PI)
• Para o teste com o sistema completo, foram adicionadas as baterias ao
barramento CC das baterias.
Resultado do teste com carga não linear (PI)
THD(vf)=1,1%
RMS(vf)=116 V
RMS(if)=1,41 A
THD(vf)=1,5%
RMS(vf)=114 V
RMS(if)=2,32 A
MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
Resultados experimentais
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Projeto e Construção de Máquina ElétricaAplicação: Gerador de 400 W para unidade Microeólica
Máquina elétrica sem cogging torque (binário de retenção ou binário de relutância)
Trabalho em conjunto com:
Prof. José Borges de Almeida (Dep. Física – Universidade do Minho)
Prof. António Caetano Monteiro (Dep. Engª Mecânica – Universidade do Minho)
Ensaio em “Túnel de Vento”
GERADOR PARA UNIDADE MICROEÓLICA
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PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
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64
house
industria
house
house
MV Power Grid
Substation
Renewables
UPQC
Substation
Renewables
Shunt Conditioner
Storage Element
Substation
Home
Home
Services and Homes
Sensitive Industry
Renewables
G2V-V2G-V2HActive FilteringStorage Element
Electric Vehicle
house
G2V-V2G-V2HActive Filtering
Electric Vehicle
Smart Home
Smart Home
Activity 2 - Energy End-Use
Services and Homes
Shunt Conditioner
Proposed Power Electronics pre-prototypes to be validated in Laboratory (TRL4)
Activity 3 - Operation and Control of the Power Distribution Grid
Project ESGRIDS: Enhancing Smart GRIDs for Sustainability
PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
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Project newERA4GRIDs - New Generation of Unified Power Conditioner
with Advanced Control, Integrating Electric Mobility, Renewables, and Active Filtering Capabilities for the Power Grid Improvement
PowerGrid (vG)
Power Converter
Power Converter
Nonlinear Loads
PV panels
Electric Vehicle
DC
AC
DC
DC
DC
AC
DC
DC
Active FilterDC
AC
Power Converter
iH
t
iG
iH
t
iEV
iH
t
iPV
iLD
t
iAF
t
iG
iLDiEV
iAF
iPV
iH
t
vG
Traditional Solution
PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
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66
Nonlinear Loads
PV panels
Electric Vehicle
Unified Power ConditionerSingle-Stage Multi-Port AC-DC
- EV fast Battery Charger- PV panels interface- Active power filter iH
t
iG
iLD
t
iUPC
t
iUPC iLD
iG
iH
t
vG
PowerGrid (vG)
PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
Proposed Solution
Project newERA4GRIDs - New Generation of Unified Power Conditioner
with Advanced Control, Integrating Electric Mobility, Renewables, and Active Filtering Capabilities for the Power Grid Improvement
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67
Fast Charger
Slow Charger
DC/DCAC/DC
DC/DCAC/DC
Three-
Phase
Single-
Phase
Electrical
Power Grid
M
ElectricMotorDC/DC 3 Phase Inverter
PowertrainEnergy Storage
System
PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
DAIPESEV - Development of Advanced Integrated
Power Electronic Systems for Electric Vehicles
Traditional Solution
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68
BatteriesAuxiliary
Battery
3 Phase
Motor
M
Proposed
Converter
Electrical
Power Grid
PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
Proposed Solution
DAIPESEV - Development of Advanced Integrated
Power Electronic Systems for Electric Vehicles
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69
Unified Power Quality Conditioner (UPQC) in Microgrid Context
Energy Storage System PV Solar Panels
Smart
Grid
Micro Wind Turbines EV Charging Post
Energy Storage System
Loads
Loads
DC-ACConverter
DC-ACConverter
DC-ACConverter
Emergency Generator
EV DC Fast Charging Post
AC-DCConverter
DC-ACConverter
Switch
Unified PowerQuality Conditioner
(UPQC)
Microgrid
PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
Quality4Power - Enhancing the Power Quality
for Industry 4.0 in the era of Microgrids
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70
Unified Power Quality Conditioner (UPQC)
operation in the grid-connected mode
vS
iS
t
Load
vL
iLiS
vS
ElectricalPower Grid
Shunt ActiveConditioner
Series Active Conditioner
UPQC
iC
vCt
vL
iL
Energy Storage
DC Link
iC
t
tvC
Load
vL
iLiS
vS
ElectricalPower Grid
Shunt ActiveConditioner
Series Active Conditioner
UPQC
iC
t
vL
iL
Energy Storage
DC Link
t
vC
iC
vC
Unified Power Quality Conditioner (UPQC)
operation in the in the islanded mode
PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
Quality4Power - Enhancing the Power Quality
for Industry 4.0 in the era of Microgrids
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro”
71
RENOVÁVEIS, EFICIÊNCIA, SUSTENTABILIDADE E SMART GRIDS
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro”
72
CONCLUSÕES
▪ A aposta nas energias renováveis, principalmente, na vertente eólica, cada vezmais, é uma realidade e com previsão de maior desenvolvimento.
▪ O enquadramento com as smart grids ainda está numa fase embrionária,principalmente, no que concerne a novas abordagens de operaçãocolaborativa.
▪ Com o objetivo de mitigar os efeitos negativos causados pela intermitência naprodução de energia elétrica a partir de renováveis, a mobilidade elétricadesempenhará um papel relevante no enquadramento com as smart grids.
▪ Os sistemas de armazenamento de energia descentralizados tambémcontribuirão para mitigar os efeitos negativos causados pela intermitência naprodução de energia elétrica a partir de renováveis.
▪ O GEPE da Universidade do Minho tem desenvolvido tecnologias de Eletrónicade Potência em projetos de I&D (investigação e desenvolvimento) visando assmart grids, a interface de microeólicas com a rede elétrica e as microrredesisoladas baseadas em energia eólica.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro”
73
Obrigado pela vossa atenção!
www.gepe.dei.uminho.pt
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