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O documento discute a energia eólica no presente e futuro, com foco em três pontas: 1) A organização e trabalho do Grupo de Eletrônica de Potência e Energia da Universidade do Minho; 2) As tendências de smart grids e mobilidade elétrica; 3) O projeto CEPiUM de um veículo elétrico desenvolvido na universidade.

Tecnologia
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Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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
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 2
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 3 GEPE – GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 6 ENQUADRAMENTO
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 7 ENQUADRAMENTO https://yearbook.enerdata.net/ Consumo Total de Energia à Escala Mundial (2016) MTOE: Million Tonnes of Oil Equivalent
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 10 ENQUADRAMENTO https://yearbook.enerdata.net/ Participação de Renováveis na Produção de Energia Elétrica à Escala Mundial (2016) MTOE: Million Tonnes of Oil Equivalent
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 15 ENQUADRAMENTO Evolução da Potência Instalada em Portugal de Origem Renovável
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 17 SMART GRIDS
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 18 Expertise UPQC Unified Power 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 Expertise Unified Power 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 MGS WAMS ESS Custom Power Systems Wide Area Monitoring Systems Micro Generation Systems Energy Storage Systems Expertise Unified Power 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 MGS WAMS ESS Custom Power Systems Wide Area Monitoring Systems Micro Generation Systems Energy Storage Systems
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 23 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 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) Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grids)
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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) SMART GRIDS Sistemas de Load Shift
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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, 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. Problema do Sistema Energético Atual
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 26 SMART GRIDS SOLUÇÃO: SISTEMA LOAD-SHIFT • 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 27 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 SMART GRIDS Integração de VEs com Energias Renováveis
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 28 Cargas Rede Elétrica G2V - Grid-to-Vehicle ig ild iev Veículo Elétrico Quadro Elétrico 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 29 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 30 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 31 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 32 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 33 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 34 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 35 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 36 36 C E P I U M - CARRO ELÉTRICO PLUG-IN DA UNIVERSIDADE DO MINHO https://www.gepe.dei.uminho.pt/cepium/ SMART GRIDS
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 Rede Elétrica Baterias Battery Management System (BMS) SMART GRIDS Arquitetura Interna de um Sistema de Carregamento de Baterias On-Board
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 38 Vista Interna Vista Externa SMART GRIDS Sistema de Carregamento de Baterias On-Board Desenvolvido
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 Baterias Rede Elétrica 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
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 40 Circuito de Potência Sistema de Controlo e Comando SMART GRIDS Sistema de Carregamento de Baterias Off-Board Desenvolvido
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 41 MICROEÓLICAS (Potências Inferiores a 10 kW)
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 42 MICROEÓLICAS Microeólicas de Eixo Horizontal em ambiente urbano
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 43 MICROEÓLICAS Microeólicas de Eixo Vertical em Ambiente Urbano (Urban Green Energy - EUA)
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 44 MICROEÓLICAS Microeólicas para produção de energia em embarcações (Silent Wind - Portugal)
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 45 MICROEÓLICAS Microeólicas em ambiente urbano (Omniflow - Portugal)
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 46 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 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 5 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 Potência (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
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 50 Conversor de Eletrónica de Potência INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 51 Placa 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
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 52 Visão geral da bancada de trabalho INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 54 IRMS = 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) INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 55 Protótipo final desenvolvido de 3 kW INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 56 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 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 7 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 58 Curvas 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
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 59 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA Placa de comando monofásica Placa de comando trifásica Placa de condicionamento de sinal Conversor de Potência
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 60 Motor, gerador e variador Circuito de potência Baterias Circuito de controlo Visão geral da bancada de trabalho MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA Resultados experimentais
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 62 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) Ensaio em “Túnel de Vento” GERADOR PARA UNIDADE MICROEÓLICA
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 63 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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-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 Project ESGRIDS: Enhancing Smart GRIDs for Sustainability PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 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 iG iH t iEV iH t iPV iLD t iAF t iG iLD iEV iAF iPV iH t vG Traditional Solution PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 66 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 iG iLD t iUPC t iUPC iLD iG iH t vG Power Grid (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
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 67 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 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO DAIPESEV - Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles Traditional Solution
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 68 Batteries Auxiliary 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
Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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-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 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” 70 Unified Power Quality Conditioner (UPQC) operation in the grid- connected mode vS iS t Load vL iL iS vS Electrical Power Grid Shunt Active Conditioner Series Active Conditioner UPQC iC vC t vL iL Energy Storage DC Link iC t t vC Load vL iL iS vS Electrical Power Grid Shunt Active Conditioner 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 vez mais, 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 operação colaborativa. ▪ Com o objetivo de mitigar os efeitos negativos causados pela intermitência na produção de energia elétrica a partir de renováveis, a mobilidade elétrica desempenhará um papel relevante no enquadramento com as smart grids. ▪ Os sistemas de armazenamento de energia descentralizados também contribuirão para mitigar os efeitos negativos causados pela intermitência na produção de energia elétrica a partir de renováveis. ▪ O GEPE da Universidade do Minho tem desenvolvido tecnologias de Eletrónica de Potência em projetos de I&D (investigação e desenvolvimento) visando as smart grids, a interface de microeólicas com a rede elétrica e as microrredes isoladas 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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  • 1. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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. 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 2
  • 3. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 3 GEPE – GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA
  • 4. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 6 ENQUADRAMENTO
  • 7. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 7 ENQUADRAMENTO https://yearbook.enerdata.net/ Consumo Total de Energia à Escala Mundial (2016) MTOE: Million Tonnes of Oil Equivalent
  • 8. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 10 ENQUADRAMENTO https://yearbook.enerdata.net/ Participação de Renováveis na Produção de Energia Elétrica à Escala Mundial (2016) MTOE: Million Tonnes of Oil Equivalent
  • 9. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 15 ENQUADRAMENTO Evolução da Potência Instalada em Portugal de Origem Renovável
  • 10. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 17 SMART GRIDS
  • 11. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 18 Expertise UPQC Unified Power 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 Expertise Unified Power 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 MGS WAMS ESS Custom Power Systems Wide Area Monitoring Systems Micro Generation Systems Energy Storage Systems Expertise Unified Power 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 MGS WAMS ESS Custom Power Systems Wide Area Monitoring Systems Micro Generation Systems Energy Storage Systems
  • 12. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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.
  • 13. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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.
  • 14. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 23 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 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) Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grids)
  • 15. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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) SMART GRIDS Sistemas de Load Shift
  • 16. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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, 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. Problema do Sistema Energético Atual
  • 17. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 26 SMART GRIDS SOLUÇÃO: SISTEMA LOAD-SHIFT • 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. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 27 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 SMART GRIDS Integração de VEs com Energias Renováveis
  • 19. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 28 Cargas Rede Elétrica G2V - Grid-to-Vehicle ig ild iev Veículo Elétrico Quadro Elétrico 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.
  • 20. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 29 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
  • 21. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 30 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
  • 22. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 31 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
  • 23. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 32 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
  • 24. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 33 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
  • 25. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 34 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
  • 26. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 35 Quadro Elétrico Rede Elétrica 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.
  • 27. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 36 36 C E P I U M - CARRO ELÉTRICO PLUG-IN DA UNIVERSIDADE DO MINHO https://www.gepe.dei.uminho.pt/cepium/ SMART GRIDS
  • 28. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 Rede Elétrica Baterias Battery Management System (BMS) SMART GRIDS Arquitetura Interna de um Sistema de Carregamento de Baterias On-Board
  • 29. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 38 Vista Interna Vista Externa SMART GRIDS Sistema de Carregamento de Baterias On-Board Desenvolvido
  • 30. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 Baterias Rede Elétrica 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
  • 31. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 40 Circuito de Potência Sistema de Controlo e Comando SMART GRIDS Sistema de Carregamento de Baterias Off-Board Desenvolvido
  • 32. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 41 MICROEÓLICAS (Potências Inferiores a 10 kW)
  • 33. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 42 MICROEÓLICAS Microeólicas de Eixo Horizontal em ambiente urbano
  • 34. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 43 MICROEÓLICAS Microeólicas de Eixo Vertical em Ambiente Urbano (Urban Green Energy - EUA)
  • 35. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 44 MICROEÓLICAS Microeólicas para produção de energia em embarcações (Silent Wind - Portugal)
  • 36. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 45 MICROEÓLICAS Microeólicas em ambiente urbano (Omniflow - Portugal)
  • 37. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 46 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
  • 38. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 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 5 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
  • 39. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
  • 40. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 Potência (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
  • 41. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 50 Conversor de Eletrónica de Potência INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
  • 42. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 51 Placa 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
  • 43. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 52 Visão geral da bancada de trabalho INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
  • 44. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
  • 45. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 54 IRMS = 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) INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
  • 46. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 55 Protótipo final desenvolvido de 3 kW INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA
  • 47. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 56 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
  • 48. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 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 7 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
  • 49. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 58 Curvas 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
  • 50. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 59 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA Placa de comando monofásica Placa de comando trifásica Placa de condicionamento de sinal Conversor de Potência
  • 51. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 60 Motor, gerador e variador Circuito de potência Baterias Circuito de controlo Visão geral da bancada de trabalho MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA
  • 52. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA Resultados experimentais
  • 53. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 62 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) Ensaio em “Túnel de Vento” GERADOR PARA UNIDADE MICROEÓLICA
  • 54. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 63 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
  • 55. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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-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 Project ESGRIDS: Enhancing Smart GRIDs for Sustainability PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
  • 56. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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 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 iG iH t iEV iH t iPV iLD t iAF t iG iLD iEV iAF iPV iH t vG Traditional Solution PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO
  • 57. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 66 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 iG iLD t iUPC t iUPC iLD iG iH t vG Power Grid (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
  • 58. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 67 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 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO DAIPESEV - Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles Traditional Solution
  • 59. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 68 Batteries Auxiliary 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
  • 60. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 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-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 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO Quality4Power - Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids
  • 61. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 70 Unified Power Quality Conditioner (UPQC) operation in the grid- connected mode vS iS t Load vL iL iS vS Electrical Power Grid Shunt Active Conditioner Series Active Conditioner UPQC iC vC t vL iL Energy Storage DC Link iC t t vC Load vL iL iS vS Electrical Power Grid Shunt Active Conditioner 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
  • 62. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 71 RENOVÁVEIS, EFICIÊNCIA, SUSTENTABILIDADE E SMART GRIDS
  • 63. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 72 CONCLUSÕES ▪ A aposta nas energias renováveis, principalmente, na vertente eólica, cada vez mais, 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 operação colaborativa. ▪ Com o objetivo de mitigar os efeitos negativos causados pela intermitência na produção de energia elétrica a partir de renováveis, a mobilidade elétrica desempenhará um papel relevante no enquadramento com as smart grids. ▪ Os sistemas de armazenamento de energia descentralizados também contribuirão para mitigar os efeitos negativos causados pela intermitência na produção de energia elétrica a partir de renováveis. ▪ O GEPE da Universidade do Minho tem desenvolvido tecnologias de Eletrónica de Potência em projetos de I&D (investigação e desenvolvimento) visando as smart grids, a interface de microeólicas com a rede elétrica e as microrredes isoladas baseadas em energia eólica.
  • 64. Universidade do Minho – APREN – “A Energia Eólica: Presente e Futuro” 73 Obrigado pela vossa atenção! www.gepe.dei.uminho.pt