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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. [email protected]

TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS

Universidade do MinhoCampus de Azurém,

GuimarãesAnfiteatro B1.10

15 de Junho de 2018

Vitor [email protected]

Gabriel [email protected]


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

2


3

GEPE – GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA


4

▪ 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


5

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.


6

ENQUADRAMENTO


7

ENQUADRAMENTO

https://yearbook.enerdata.net/

Consumo Total de Energia à Escala Mundial (2016)

MTOE: Million Tonnesof Oil Equivalent


10

ENQUADRAMENTO

https://yearbook.enerdata.net/

Participação de Renováveis na Produção de Energia Elétrica à Escala Mundial (2016)

MTOE: Million Tonnesof Oil Equivalent


15

ENQUADRAMENTO

Evolução da Potência Instalada em Portugal de Origem Renovável


17

SMART GRIDS


18

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







CUPS

CUPS WAMS

MGS

ESS

MGS

CUPS MGS

WAMS ESS





Expertise

UPQCUnified Power

Quality Conditioner

SAPFShunt Active

Power Filter

PQMPower Quality

Monitoring







CUPS

CUPS WAMS

MGS

ESS

MGS

CUPS MGS

WAMS ESS






19

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.


21

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.


23

SMART GRIDS

advanced Load Shift System

(aLSS)


(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


(aLSS)


(aLSS)


(aLSS)

Batteries


(aLSS)


(aLSS)

Batteriesadvanced Load

Shift System(aLSS)

Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grids)


24

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


25

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


26

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.


27

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


28

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.


29

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.


30

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.


31

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.


32

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.


33

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.


34

QuadroElétrico

RedeElétrica

V2H – Vehicle-to-Home

iev

Veículo Elétrico

Cargas

SMART GRIDS

Modo de operação Vehicle-to-Home (V2H).

Tensão sinusoidal produzida pelo VE.



35

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.



3636

C E P I U M - CARRO ELÉTRICO PLUG-IN DA UNIVERSIDADE DO MINHO

https://www.gepe.dei.uminho.pt/cepium/

SMART GRIDS


37

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


38

Vista Interna Vista Externa

SMART GRIDS

Sistema de Carregamento de Baterias On-Board Desenvolvido


39

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


40

Circuito de Potência

Sistema de Controlo e Comando

SMART GRIDS

Sistema de Carregamento de Baterias Off-Board Desenvolvido


41

MICROEÓLICAS(Potências Inferiores a 10 kW)


42

MICROEÓLICAS

Microeólicas de Eixo Horizontal em

ambiente urbano


43

MICROEÓLICAS

Microeólicas de Eixo Vertical em Ambiente Urbano

(Urban Green Energy - EUA)


44

MICROEÓLICAS

Microeólicas para produção de energia em

embarcações

(Silent Wind - Portugal)


45

MICROEÓLICAS

Microeólicas em ambiente urbano

(Omniflow - Portugal)


46

INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA

COM A REDE ELÉTRICA


47

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


48

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



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



50

Conversor de Eletrónica de Potência



51Placa de comando monofásica


Sensor de tensão CYHVS5-25A Sensor de Corrente LA 100-P

Placa de driver dos IGBTs

Placa de condicionamento de sinal


52

Visão geral da bancada de trabalho



53

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



54

IRMS = 4,6 A

P = 1600 WTPF = 1

Rendimento91,9%

THD2,2%

Resultados experimentais obtidos com o protótipo desenvolvido(velocidade de rotação 3500 rpm)



55

Protótipo final desenvolvido de 3 kW



56

MICRORREDE ISOLADA

BASEADA EM ENERGIA EÓLICA


57

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


58Curvas de potência resultantes dos ensaios ao gerador com carga linear e não linear

Ensaios ao Gerador

1700 rpm, 440 W



59


Placa de comando monofásica

Placa de comando trifásica

Placa de condicionamento de sinal

Conversor de Potência


60

Motor,

gerador e

variador

Circuito de

potência

Baterias

Circuito de

controlo

Visão geral da bancada de trabalho



61

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


Resultados experimentais


62

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


63

PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO


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



65

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



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)


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


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


DAIPESEV - Development of Advanced Integrated

Power Electronic Systems for Electric Vehicles

Traditional Solution


68

BatteriesAuxiliary

Battery

3 Phase

Motor

M

Proposed

Converter

Electrical

Power Grid


Proposed Solution

DAIPESEV - Development of Advanced Integrated

Power Electronic Systems for Electric Vehicles


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


Quality4Power - Enhancing the Power Quality

for Industry 4.0 in the era of Microgrids


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


Quality4Power - Enhancing the Power Quality

for Industry 4.0 in the era of Microgrids


71

RENOVÁVEIS, EFICIÊNCIA, SUSTENTABILIDADE E SMART GRIDS


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.


73

Obrigado pela vossa atenção!

www.gepe.dei.uminho.pt

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