TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS

(1)

Escola de Engenharia

Departamento de Eletrónica Industrial

Grupo de Eletrónica de Potência e Energia

APREN – Associação Portuguesa de Energias Renováveis

Ciclo de Mesas Redondas “A APREN e as Universidades” | Dia Mundial do Vento

A Energia Eólica: Presente e Futuro

João L. Afonso

jla@dei.uminho.pt

TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS

Universidade do Minho

Campus de Azurém,

Guimarães

Anfiteatro B1.10

15 de Junho de 2018

Vitor Monteiro

vmonteiro@dei.uminho.pt

Gabriel Pinto

gpinto@dei.uminho.pt

(2)

Organização

- 6 Linhas e 9 Grupos

- Instalações na Universidade do Minho (em Guimarães e Braga)

- Associação a 4 Departamentos da Universidade do Minho:

(3)

(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

(5)

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)

(7)

https://yearbook.enerdata.net/

Consumo Total de Energia à Escala Mundial (2016)

MTOE: Million Tonnes

(8)

https://yearbook.enerdata.net/

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

MTOE: Million Tonnes

(9)

(10)

(11)

18

Expertise

Quality Conditioner

SAPF

Shunt Active Power Filter

PQM

Power Quality Monitoring

MPPT-MT

Maximum Power Point Tracking - Microwind Turbines

MPPT-PV

Maximum Power Point Tracking - Photovoltaic Panels

BBCS-SC

Bidirectional Battery Charging System – Sinusoidal Consumption

CUPS

CUPS WAMS

MGS

ESS MGS

CUPS Custom Power Systems MGS Micro Generation Systems

Expertise

SAPF Shunt Active Power Filter PQM Power Quality Monitoring MPPT-MT

MPPT-PV

BBCS-SC

CUPS CUPS WAMS MGS ESS MGS CUPS MGS WAMS ESS

Custom Power Systems

Wide Area Monitoring Systems

Micro Generation Systems

Energy Storage Systems

Expertise

SAPF Shunt Active Power Filter PQM Power Quality Monitoring MPPT-MT

MPPT-PV

BBCS-SC

CUPS CUPS WAMS MGS ESS MGS CUPS MGS WAMS ESS

Custom Power Systems

Wide Area Monitoring Systems

Micro Generation Systems

(12)

▪ 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.

(13)

▪ 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.

(14)

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 Charger EV 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) Batteries advanced Load Shift System (aLSS)

(15)

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-based Service Platform

EV Slow Charger

Grid-to-Vehicle (G2V) and Vehicle-to-Grid (V2G) operations Power flow exchanged with the advanced Load Shift System (aLSS)

(16)

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, no

entanto na maioria dos casos isso pode não acontecer uma vez que a maior percentagem

do 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.

(17)

S

OLUÇÃO

:

S

ISTEMA

L

OAD

-S

HIFT

• Um sistema Load-Shift permite retirar um melhor aproveitamento das tarifas

horárias e ainda, nas instalações que possuem um sistema de autoconsumo,

aumentar significativamente a eficiência do sistema de produção.

(18)

Solução Classica

Solução Tradicional Veículo Elétrico Painéis Solares Rede Elétrica CC CC CA CC CC CC CA CC Veículo Elétrico Painéis Solares Rede Elétrica CC CC CC CC CA CC Solução Proposta

Solução Proposta

Integração de VEs com Energias Renováveis

(19)

Cargas

Rede

Elétrica

G2V - Grid-to-Vehicle

i

_g

i

ld

i

_ev

Veículo Elétrico

Quadro

Elétrico

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.

(20)

Quadro

Elétrico

Rede

Elétrica

V2G – Vehicle-to-Grid

i

_g

i

ld

i

_ev

Veículo Elétrico

Cargas

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.

(21)

Quadro

Elétrico

Rede

Elétrica

H2V – Home-to-Vehicle

i

_g

i

ld

i

ev

Veículo Elétrico

Cargas

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.

(22)

Quadro

Elétrico

Rede

Elétrica

H2V – Home-to-Vehicle

i

_g

i

ld

i

ev

Veículo Elétrico

Cargas

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.

(23)

Quadro

Elétrico

Rede

Elétrica

V4G – Vechile-for-Grid

i

_g

i

ld

i

ev

Veículo Elétrico

Cargas

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.

(24)

Quadro

Elétrico

Rede

Elétrica

V4G – Vechile-for-Grid

i

_g

i

ld

i

ev

Veículo Elétrico

Cargas

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.

(25)

Quadro

Elétrico

Rede

Elétrica

V2H – Vehicle-to-Home

i

ev

Veículo Elétrico

Cargas

Modo de operação

Vehicle-to-Home (V2H)

.

Tensão sinusoidal produzida pelo VE.

Descarregamento das baterias com corrente variável.

(26)

Quadro

Elétrico

Rede

Elétrica

V2H – Vehicle-to-Home

i

_g

i

ld

i

ev

Veículo Elétrico

Cargas

Modo de operação

Vehicle-to-Home (V2H)

.

Tensão sinusoidal produzida pelo VE em modo UPS off-line.

Descarregamento das baterias com corrente variável.

(27)

36

C E P I U M -

C

ARRO

E

LÉTRICO

P

LUG

-

I

N DA

U

NIVERSIDADE DO

M

INHO

(28)

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

Rede

Elétrica

Baterias

Battery Management System (BMS)

(29)

Vista Interna

Vista Externa

(30)

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

Baterias

Rede

Elétrica

Comunicação

Interface de Comunicação para Fornecer o Estado de Operação dos

Conversores

(31)

Circuito de Potência

Sistema de Controlo e Comando

(32)

M

ICROEÓLICAS

(33)

Microeólicas de Eixo

Horizontal em

ambiente urbano

(34)

Microeólicas de Eixo Vertical em Ambiente Urbano

(Urban Green Energy - EUA)

(35)

Microeólicas para

produção de energia em

embarcações

(36)

Microeólicas em ambiente urbano

(Omniflow - Portugal)

(37)

I

NTERFACE DE UMA

M

ICROEÓLICA

(38)

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 correntes

sinusoidais (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

(39)

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

(40)

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Pot ê n ci a ( W) Velocidade de Rotação (rpm) P_dc_max P_MPPT

P_MPPT

(41)

(42)

Placa de comando monofásica

Sensor de tensão CYHVS5-25A

Sensor de Corrente LA 100-P

Placa de driver dos IGBTs

(43)

(44)

Resultados experimentais obtidos com o protótipo desenvolvido

i

_in

v

_cc

v

_in

i

_a

v

_a

i

_b

v

_b

i

_c

v

_c

Tensões e corrente no lado

CC do conversor

Tensões e correntes na

rede elétrica

(45)

I

_RMS

= 4,6 A

P = 1600 W

TPF = 1

Rendimento

91,9%

THD

2,2%

Resultados experimentais obtidos com o protótipo desenvolvido

(velocidade de rotação 3500 rpm)

(46)

(47)

M

ICRORREDE

I

SOLADA

(48)

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 e

fornecem 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

(49)

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

Ensaios ao Gerador

(50)

Placa de comando monofásica

Placa de comando trifásica Placa de condicionamento de sinal

(51)

Motor, gerador e variador Circuito de potência Baterias Circuito de controlo

(52)

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(v

_f

)=1,1%

RMS(v

_f

)=116 V

RMS(i

_f

)=1,41 A

THD(v

_f

)=1,5%

RMS(v

_f

)=114 V

RMS(i

_f

)=2,32 A

Resultados experimentais

(53)

Projeto e Construção de Máquina Elétrica

Aplicação: 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)

(54)

(55)

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-V2H Active Filtering Storage Element Electric Vehicle house G2V-V2G-V2H Active 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

(56)

Project newERA4GRIDs

- New Generation of Unified Power Conditioner

with Advanced Control, Integrating Electric Mobility, Renewables, and Active

Filtering Capabilities for the Power Grid Improvement

Power Grid (vG) Power Converter Power Converter Nonlinear Loads PV panels Electric Vehicle DC AC DC DC DC AC DC DC Active Filter DC AC Power Converter iH t

i

G iH t

i

EV iH t

i

PV

i

LD t

i

AF t

i

G

i

LD

i

EV

i

AF

i

PV iH t

v

G

Traditional Solution

(57)

Nonlinear Loads PV panels

Electric Vehicle

Unified Power Conditioner Single-Stage Multi-Port AC-DC

- EV fast Battery Charger - PV panels interface

- Active power filter iH

t

i

G

i

LD t

i

UPC t

i

UPC

i

LD

i

G iH t

v

G Power Grid (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

(58)

Fast Charger Slow Charger DC/DC AC/DC DC/DC AC/DC Three-Phase Single-Phase Electrical Power Grid M Electric Motor DC/DC 3 Phase Inverter Powertrain Energy Storage System

DAIPESEV

- Development of Advanced Integrated

Power Electronic Systems for Electric Vehicles

(59)

Batteries Auxiliary Battery 3 Phase Motor M Proposed Converter Electrical Power Grid

Proposed Solution

DAIPESEV

- Development of Advanced Integrated

(60)

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-AC Converter DC-AC Converter DC-AC Converter Emergency Generator

EV DC Fast Charging Post

AC-DC Converter DC-AC Converter Switch Unified Power Quality Conditioner

(UPQC)

Microgrid

Quality4Power

- Enhancing the Power Quality

(61)

Unified Power Quality

Conditioner (UPQC)

operation in the

grid-connected mode

v_S iS t Load vL iL iS vS Electrical Power Grid Shunt Active Conditioner Series Active Conditioner UPQC iC vC t v_L iL Energy Storage DC Link iC t t v_C Load vL iL iS vS Electrical Power Grid Shunt Active Conditioner Series Active Conditioner UPQC iC t v_L i_L Energy Storage DC Link t v_C iC vC

Unified Power Quality

Conditioner (UPQC)

operation in the in the

islanded mode

Quality4Power

- Enhancing the Power Quality

(62)

(63)