TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS

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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 TENDÊNCIAS TECNOLÓGICAS João L. Afonso jla@dei.uminho.pt Vitor Monteiro vmonteiro@dei.uminho.pt Gabriel Pinto gpinto@dei.uminho.pt Universidade do Minho Campus de Azurém, Guimarães Anfiteatro B de Junho de

2 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 3

4 MEMBROS DO GEPE 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 4

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. 5

6 ENQUADRAMENTO 6

7 ENQUADRAMENTO Consumo Total de Energia à Escala Mundial (2016) MTOE: Million Tonnes of Oil Equivalent 7

8 ENQUADRAMENTO Participação de Renováveis na Produção de Energia Elétrica à Escala Mundial (2016) MTOE: Million Tonnes of Oil Equivalent 10

9 ENQUADRAMENTO Evolução da Potência Instalada em Portugal de Origem Renovável 15

10 SMART GRIDS 17

11 SAPF Shunt Active Power Filter Universidade Quality do Conditioner Minho APREN A Energia Quality Eólica: Conditioner Presente e Futuro UPQC SAPF Shunt Active Power Filter Unified Power CUPS SAPF Shunt Active Power Filter Unified Power Quality Conditioner PQM Power Quality Monitoring Unified Power CUPS PQM Power Quality Monitoring PQM Power Quality Monitoring CUPS WAMS CUPS CUPS WAMS MPPT-MT Maximum Power Point Tracking - Microwind Turbines MGS MPPT-MT Expertise Maximum Power Point Tracking - Microwind Turbines CUPS MPPT-MT MGS Expertise ESS MGS BBCS-SC Bidirectional Battery Charging System Sinusoidal Consumption Expertise WAMS Maximum Power Point Maximum Power Point Tracking - Microwind Turbines Tracking - Photovoltaic Panels ESS ESS BBCS-SC Bidirectional Battery Charging System Sinusoidal Consumption MGS MPPT-PV MGS MPPT-PV Maximum Power Point Tracking - Photovoltaic Panels BBCS-SC Bidirectional Battery Charging System Sinusoidal Consumption MGS MPPT-PV Maximum Power Point Tracking - Photovoltaic Panels CUPS Custom Power Systems CUPS MGS Custom Micro Power Generation Systems Systems MGS Micro Generation Systems WAMS Wide Area Monitoring Systems WAMS ESSWide Energy Area Monitoring Storage Systems ESS Energy Storage Systems 18

12 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. 19

13 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. 21

14 SMART GRIDS Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grids) EV Fast Charger MV Power Grid Smart Home house EV Slow Charger EV Fast Charger Service Station Substation Substation Substation Substation Smart Home house EV Slow Charger EV Fast Charger advanced Load Shift System (alss) Batteries Substation Substation advanced Load Shift System (alss) Renewables Renewables EV Fast Charger Smart Factory Batteries EV Slow Charger advanced Load Shift System (alss) Batteries Smart Home house EV Slow Charger Renewables advanced Load Shift System (alss) Batteries 23

15 SMART GRIDS Sistemas de Load Shift MV Power Grid Cloud-based Service Platform Substation alss advanced Load Shift System (Power Electronics Equipment) - Operation as a Energy Storage System (ESS) - Operation as optimized interface for renewables - Operation as Active Power FIlter (APF) Renewables alss ESS EV Slow Charger Loads Loads Loads Grid-to-Vehicle (G2V) and Vehicle-to-Grid (V2G) operations Power flow exchanged with the advanced Load Shift System (alss) 24

16 SMART GRIDS Nível de Consumo Problema do Sistema Energético Atual Consumo Elevado Energia a custo reduzido Energia a custo intermédio Consumo Médio Consumo Baixo Energia a custo elevado Energia produzida injetada na RESP Energia produzida consumida localmente 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 00:00 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. 25

17 SOLUÇÃO: SISTEMA LOAD-SHIFT SMART GRIDS 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. 26

18 SMART GRIDS Integração de VEs com Energias Renováveis Rede Elétrica CA CC CC CC Painéis Solares CA CC CC CC Veículo Elétrico Solução Tradicional Solução Classica Rede Elétrica CA CC CC CC CC CC Painéis Solares Veículo Elétrico Solução Proposta Solução Proposta 27

19 SMART GRIDS Modo de operação Grid-to-Vehicle (G2V). G2V - Grid-to-Vehicle Rede Elétrica i g Quadro Elétrico i ld Cargas i ev Veículo Elétrico Corrente CA sinusoidal em fase com a tensão da rede elétrica. Carregamento das baterias com corrente ou tensão constante. 28

20 SMART GRIDS Modo de operação Vehicle-to-Grid (V2G). V2G Vehicle-to-Grid Rede Elétrica i g Quadro Elétrico i ld Cargas i ev Veículo Elétrico Corrente CA sinusoidal em oposição de fase com a tensão da rede elétrica. Descarregamento das baterias com corrente constante. 29

21 SMART GRIDS Modo de operação Home-to-Vehicle (H2V) (combinado com G2V). H2V Home-to-Vehicle Rede Elétrica i g Quadro Elétrico i ld Cargas i ev Veículo Elétrico Valor eficaz da corrente CA em função do valor eficaz da corrente das cargas. Carregamento das baterias com corrente ou tensão constante. 30

22 SMART GRIDS Modo de operação Home-to-Vehicle (H2V) (combinado com V2G). H2V Home-to-Vehicle Rede Elétrica i g Quadro Elétrico i ld Cargas i ev Veículo Elétrico Valor eficaz da corrente CA em função do valor eficaz da corrente das cargas. Descarregamento das baterias com corrente variável. 31

23 SMART GRIDS Modo de operação Vehicle-for-Grid (V4G). V4G Vechile-for-Grid Rede Elétrica i g Quadro Elétrico i ld Cargas i ev Veículo Elétrico Corrente CA sinusoidal com fase ajustável em relação à tensão da rede elétrica. Carregamento ou descarregamento das baterias com corrente constante. 32

24 SMART GRIDS Modo de operação Vehicle-for-Grid (V4G). V4G Vechile-for-Grid Rede Elétrica i g Quadro Elétrico i ld Cargas i ev Veículo Elétrico Valor instantâneo da corrente CA em função do valor instantâneo da corrente das cargas. Carregamento ou descarregamento das baterias com corrente constante. 33

25 SMART GRIDS Modo de operação Vehicle-to-Home (V2H). V2H Vehicle-to-Home Rede Elétrica Quadro Elétrico Cargas i ev Veículo Elétrico Tensão sinusoidal produzida pelo VE. Descarregamento das baterias com corrente variável. 34

26 SMART GRIDS Modo de operação Vehicle-to-Home (V2H). V2H Vehicle-to-Home Rede Elétrica i g Quadro Elétrico i ld Cargas i ev Veículo Elétrico Tensão sinusoidal produzida pelo VE em modo UPS off-line. Descarregamento das baterias com corrente variável. 35

27 SMART GRIDS C E P I U M - CARRO ELÉTRICO PLUG-IN DA UNIVERSIDADE DO MINHO 36 36

28 SMART GRIDS Arquitetura Interna de um Sistema de Carregamento de Baterias On-Board Arquitetura Interna do Sistema de Carregamento de Baterias On-Board Algoritmos Sistema de Controlo dos Conversores para Interface com a Rede Elétrica e com as Baterias Rede Elétrica 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 Baterias Battery Management System (BMS) Energia Comunicação 37

29 SMART GRIDS Sistema de Carregamento de Baterias On-Board Desenvolvido Vista Interna Vista Externa 38

30 SMART GRIDS Arquitetura Interna de um Sistema de Carregamento de Baterias Off-Board Arquitetura Interna do Sistema de Carregamento de Baterias Off-Board Rede Elétrica Algoritmos Sistema de Controlo dos Conversores para Interface com a Rede Elétrica e com as Baterias Conversores de Potência Composto por um Conversor CA-CC e um Conversor CC-CC Ambos com Fluxo Bidirecional de Energia Battery Management System (BMS) Baterias Comunicação Interface de Comunicação para Fornecer o Estado de Operação dos Conversores Sistema de Carregamento de Baterias On-Board Energia Comunicação 39

31 SMART GRIDS Sistema de Carregamento de Baterias Off-Board Desenvolvido Circuito de Potência Sistema de Controlo e Comando 40

32 MICROEÓLICAS (Potências Inferiores a 10 kw) 41

33 MICROEÓLICAS Microeólicas de Eixo Horizontal em ambiente urbano 42

34 MICROEÓLICAS Microeólicas de Eixo Vertical em Ambiente Urbano (Urban Green Energy - EUA) 43

35 MICROEÓLICAS Microeólicas para produção de energia em embarcações (Silent Wind - Portugal) 44

36 MICROEÓLICAS Microeólicas em ambiente urbano (Omniflow - Portugal) 45

37 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA 46

38 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA Topologia do conversor trifásico para ligação com a rede elétrica 1 AC-DC Converter Boost Converter Three-phase DC-AC Converter 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. 47

39 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA Emulador da Microéolica Motor de Indução Trifásico JM 132M2 6 (Seipee) Potência nominal: 5,5 kw Velocidade nominal: 920 r.p.m. Gerador Síncrono de Ímanes Permanentes GL PM 1800 (Ginlong Technologies) Potência nominal: 1,8 kw Velocidade nominal: 480 r.p.m. 8 pares de polos Variador de Velocidade 3G3MX2-A4055-E (OMRON) 48

40 Potência (W) Universidade do Minho APREN A Energia Eólica: Presente e Futuro INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA Ensaio do gerador e Zona útil de operação do conversor P_dc_max P_MPPT P_MPPT Velocidade de Rotação (rpm) 49

41 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA Conversor de Eletrónica de Potência 50

42 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 Placa de comando monofásica 51

43 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA Visão geral da bancada de trabalho 52

44 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA Resultados experimentais obtidos com o protótipo desenvolvido v cc v a i in i a v b v in i b v c i c Tensões e corrente no lado CC do conversor Tensões e correntes na rede elétrica 53

45 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA Resultados experimentais obtidos com o protótipo desenvolvido (velocidade de rotação 3500 rpm) I RMS = 4,6 A THD 2,2% P = 1600 W TPF = 1 Rendimento 91,9% 54

46 INTERFACE DE UMA MICROEÓLICA COM A REDE ELÉTRICA Protótipo final desenvolvido de 3 kw 55

47 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA 56

48 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA Topologia do conversor trifásico para criação da microrrede 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 57

49 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA Ensaios ao Gerador 1700 rpm, 440 W Curvas de potência resultantes dos ensaios ao gerador com carga linear e não linear 58

50 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA Placa de condicionamento de sinal Placa de comando monofásica Conversor de Potência Placa de comando trifásica 59

51 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA Visão geral da bancada de trabalho Circuito de controlo Circuito de potência Motor, gerador e variador Baterias 60

52 MICRORREDE ISOLADA BASEADA EM ENERGIA EÓLICA Resultados experimentais Para o teste com o sistema completo, foram adicionadas as baterias ao barramento CC das baterias. THD(v f )=1,1% RMS(v f )=116 V Resultado do teste com carga linear (PI) RMS(i f )=1,41 A THD(v f )=1,5% RMS(v f )=114 V Resultado do teste com carga não linear (PI) RMS(i f )=2,32 A 61

53 GERADOR PARA UNIDADE MICROEÓLICA 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) Ensaio em Túnel de Vento Trabalho em conjunto com: Prof. José Borges de Almeida (Dep. Física Universidade do Minho) Prof. António Caetano Monteiro (Dep. Engª Mecânica Universidade do Minho) 62

54 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO 63

55 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO Project ESGRIDS: Enhancing Smart GRIDs for Sustainability Activity 3 - Operation and Control of the Power Distribution Grid Activity 2 - Energy End-Use Renewables MV Power Grid Smart Home house house Substation Substation Home G2V-V2G-V2H Active Filtering Electric Vehicle house Home Shunt Conditioner Substation Shunt Conditioner Smart Home house Renewables Renewables Services and Homes UPQC Storage Element Storage Element G2V-V2G-V2H Active Filtering Electric Vehicle Services and Homes industria Sensitive Industry Proposed Power Electronics pre-prototypes to be validated in Laboratory (TRL4) 64

56 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO Project newera4grids - New Generation of Unified Power Conditioner with Advanced Control, Integrating Electric Mobility, Renewables, and Active Filtering Capabilities for the Power Grid Improvement Traditional Solution i PV i H t i EV i H t PV panels Power Converter DC DC DC AC i PV i AF t Electric Vehicle Power Converter DC DC i EV i LD Nonlinear Loads i LD t DC AC Active Filter Power Converter DC AC i AF i G Power Grid (v G ) i G i H t v G i H t 65

57 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO Project newera4grids - New Generation of Unified Power Conditioner with Advanced Control, Integrating Electric Mobility, Renewables, and Active Filtering Capabilities for the Power Grid Improvement Proposed Solution PV panels i UPC t Unified Power Conditioner Single-Stage Multi-Port AC-DC i UPC i LD Nonlinear Loads t - EV fast Battery Charger - PV panels interface - Active power filter i i GH t i LD Electric Vehicle i G Power Grid (v G ) v G i H t 66

58 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO DAIPESEV - Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles Traditional Solution Electrical Power Grid Slow Charger Energy Storage System Powertrain M Single- Phase AC/DC DC/DC DC/DC 3 Phase Inverter Electric Motor Fast Charger Three- Phase AC/DC DC/DC 67

59 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO DAIPESEV - Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles Proposed Solution M 3 Phase Motor Proposed Converter Batteries Auxiliary Battery Electrical Power Grid 68

60 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO Quality4Power - Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids Microgrid Unified Power Quality Conditioner (UPQC) PV Solar Panels Emergency Generator Energy Storage System Loads DC-AC Converter DC-AC Converter DC-AC Converter Smart Grid Switch DC-AC Converter AC-DC Converter Energy Storage System Micro Wind Turbines EV DC Fast Charging Post EV Charging Post Loads Unified Power Quality Conditioner (UPQC) in Microgrid Context 69

61 PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO Quality4Power - Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids i S v S Electrical Power Grid t i S v S UPQC Energy Storage v C Series Active Conditioner i C v C Shunt Active Conditioner i C t t i L v L i L v L Load t Unified Power Quality Conditioner (UPQC) operation in the gridconnected mode DC Link Electrical Power Grid i S v S UPQC Energy Storage v C Series Active Conditioner i C Shunt Active Conditioner i C v C t i L v L i L v L Load t Unified Power Quality Conditioner (UPQC) operation in the in the islanded mode DC Link 70

62 RENOVÁVEIS, EFICIÊNCIA, SUSTENTABILIDADE E SMART GRIDS 71

63 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. 72

64 Obrigado pela vossa atenção! 73