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O crescimento constante da demanda energética, atrelado ao desenvolvimento econômico e industrial, traz consigo a necessidade inerente de expansão do Sistema Elétrico de Potência (SEP), bem como dos seus meios de geração, capazes de suprir o déficit energético criado pelo aumento vertiginoso das cargas do SEP. Isso abre espaço para o surgimento de problemas recorrentes como a instabilidade da frequência elétrica que compromete a continuidade do suprimento energético e a qualidade da energia fornecida ao consumidor final. Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver uma metodologia de projeto e simulação com base em técnicas de controle ótimo via LQR, em conjunto com a sua aplicação em SEP através da modelagem dos elementos dinâmicos pertencentes ao sistema de controle de estabilidade de frequência, também conhecido como Controle Automático de Geração (CAG). Além disso, serão analisados computacionalmente, por meio de simulações, cenários de projetos distintos de controladores LQR, analisando a resposta das principais variáveis de controle do sistema sob a ótica de estabilidade em SEP e evidenciando o perfil de atuação dos controladores envolvidos nas simulações. As simulações realizadas neste trabalho consideram a aplicação de eventos de instabilidade sobre o sistema na forma de crescimentos abruptos de carga e utilizam como modelo de malha de controle um sistema multimáquinas com turbinas térmicas à vapor com reaquecimento, composto por duas áreas de controle interligadas através de uma linha de transmissão. Para as simulações, serão utilizados em combinação o software MATLAB através dos quais é desenvolvido o script de projeto do controlador LQR e os softwares, SIMULINK e ANATEM onde são construídos os modelos de controle de frequência, por meio de diagrama de blocos e realizadas as simulações considerando cenários distintos de controles atuando sobre SEP. The constant growth in energy demand, linked to economic and industrial development, brings with it the inherent need for expansion of the Electric Power System (EPS), as well as its means of generation, capable of supplying the energy deficit created by the dizzying increase in EPS loads. This allows for the emergence of recurring problems such as the instability of the electrical frequency that compromises the continuity of the energy supply and the quality of the energy provided to the final consumer. This work’s main objective is to develop a design and simulation methodology based on optimal control techniques via LQR, together with its application in EPS through the modeling of the dynamic elements of the frequency stability control system, also known as Automatic Generation Control (AGC). In addition, different design scenarios of LQR controllers will be computationally analyzed through simulations, analyzing the response of the main system control variables from the perspective of EPS stability, and showing the performance of the controllers involved in the simulations. The simulations developed in this work consider the application of instability events in the system in the form of sudden load growths, considering a multi-machine control loop model system with steam thermal turbines, composed of two control areas interconnected through a transmission line. For the simulations, the MATLAB software, through which the LQR controller design script is developed will be used in combination with the softwares, SIMULINK and ANATEM, where the frequency control models are built, using block diagram techniques, and the subsequent simulations are developed considering different control scenarios on EPS.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Esta tese apresenta propostas para controlar a tensão terminal nos geradores de indução trifásicos autoexcitados baseando na metodologia dos compensadores estáticos de reativo (Static var Compensators). Entretanto, diferente do método tradicional que utiliza tiristores em antiparalelo chaveando reatores, o regulador de tensão proposto, utiliza interruptores bidirecionais (Bidirectional Switches). Estas chaves são acionadas por meio de um sinal PWM proveniente da atuação de um controlador PID, gerando uma tensão eficaz sobre estes reatores, que consome a energia reativa do sistema, controlando a tensão terminal do gerador. Partindo da utilização de interruptores bidirecionais, são apresentadas duas propostas de regulador de tensão para geradores de indução trifásicos autoexcitados. A primeira é voltada para cargas equilibradas, onde o regulador apresenta apenas um controlador PID no seu circuito. Neste caso, a performance do regulador é testada diante de carga dinâmica (partida direta de um motor de indução). Para esta são apresentados os resultados computacional e experimental. Já a segunda proposta, visa aprimorar o funcionamento do regulador de tensão apresentado na primeira, por permitir que o gerador de indução mesmo que esteja alimentando carga desequilibrada possa apresentar uma tensão terminal mais simétrica possível e dentro da faixa de regulação de tensão permissível. Neste caso, é proposto um regulador de tensão com controle individual para cada fase do gerador, ou seja, os interruptores bidirecionais de cada fase recebem um sinal PWM proveniente de controladores diferentes. Assim, a atuação deste regulador permite o fornecimento da energia reativa necessária para manter a tensão de cada fase dentro do valor estabelecido, compensando a influência do desequilíbrio de tensão. Para esta proposta, os resultados são apresentados por meio de simulação computacional. This thesis presents proposals for controlling the terminal voltage on three-phase self-excited induction generators, based on the methodology of static var compensators. However, different to the traditional method that uses thyristors in antiparallel switched reactors, the proposed voltage regulator uses bidirectional switches. These switches are triggered by means of a PWM signal that originates from the operation of a PID controller, thus generating an effective voltage over reactors that consumes the reactive power from the system, and through such controlling the terminal voltage of the generator. Based on the use of bidirectional switches, two voltage regulator proposals are presented for the three-phase self-excited induction generator. The first is directed toward balanced loads, where the regulator presents only a PID controller on its circuit. In this case, the performance of the regulator is tested in the presence of a dynamic load (direct startup of an induction motor). To demonstrate further this case, computer and experimental results are presented. However, the second case looks at optimizing the working of the voltage regulator presented in first proposal, as it allows the induction generator, even when supplied with an unbalanced load, to present the most symmetrical terminal voltage possible, while maintaining it within the permitted voltage regulation range. In this case, a voltage regulator is proposed with individual control for each phase of the generator, that is, the bidirectional switches of each phase receive a PWM signal from different controllers. Thus, the switching of this regulator allows for the supply of the reactive energy necessary for maintaining the voltage of each phase within the established value, while compensating the influence of voltage unbalance. In order to demonstrate this proposal, the results are presented by means of computer simulation. Tese (Doutorado)

As fontes renováveis de energia, em especial a energia solar fotovoltaica vem ganhando espaço nos últimos anos devido ao avanço da tecnologia, redução dos custos e redução das fontes não-renováveis. Os painéis fotovoltaicos isoladamente ou para pequenas aplicações geram uma baixa tensão de saída e a adequação dos níveis de tensão fornecidos em sua saída aos requeridos pela concessionária de energia elétrica é um desafio. Neste trabalho é apresentada uma nova estrutura modificada da topologia do conversor SEPIC que usa as técnicas de acoplamento magnético série e células multiplicadoras de tensão em conjunto, afim de obter um elevado ganho de tensão, visando a aplicação em fontes renováveis de energia. Optou-se pela solução não isolada, pois esta apresenta diversas vantagens em relação a solução isolada, como: menor peso, volume, custo e maior eficiência energética devido a menores perdas de potência nos indutores acoplados. Também, a utilização da indutância de dispersão, que é um parâmetro intrínseco de um acoplamento magnético, permite a operação com comutação suave ZCS (ZCS, do inglês Zero Current-Switching) no interruptor, aumentando a eficiência da estrutura com a redução das perdas por comutação. No decorrer do trabalho são realizadas as análises das etapas de operação de diversos conversores a partir do conversor SEPIC modificado, evolui-se pela adição de técnicas elevadoras de tensão até a estrutura proposta neste trabalho. Por fim, é realizado o controle em malha fechada utilizando um controlador PID analógico que fornece uma resposta rápida e consequente correção a possíveis mudanças na variável controlada. Os resultados teóricos e experimentais do conversor proposto são descritos neste trabalho para validar as análises desenvolvidas e demonstrar a eficiência da estrutura. O protótipo é desenvolvido para uma aplicação com potência nominal de 200 W, tensão nominal de saída igual a 450 V e uma tensão de entrada variando entre 20 V e 40 V. O rendimento obtido para o conversor proposto operando na frequência de 35 kHz na potência nominal é de 91,28% e eficiência igual a 89,04% para a potência nominal de 200 W na frequência de 90 kHz. The renewable energy resources, in special the photovoltaic energy has been achieve more space in last years due to technology advances, cost reduction and decrease of the non-renewable energy sources. The photovoltaic panels in isolation or to small applications generate a low output voltage and to comply with of voltage levels provided in panel’s output to those required by electric power concessionaire is a challenge. In this work is presented a new structure modified of the SEPIC converter topology who uses the coupling magnetic series and voltage multiplier cell techniques together, in order to obtain a high voltage gain aiming at application in renewable energy resources. It was has been choosen non-isolated solution, because this present several advantages in relation to the isolated solution, such as: lower weight, volume, cost and high energy efficiency due to smaller power losses in the coupled inductors. The use leakage inductance, who is an intrinsic parameter of the a magnetic coupling, allows soft-switching operation ZCS in switch, increasing the structure’s efficiency with reduction of switching losses. During the work are perform the analysis of the operation steps of several converters as of the modified SEPIC converter and evolves by addition high voltage techniques until the structure proposed in this work. Finally, is performed the closed loop control using the analog PID controller who provides a fast response and consequent correction to possible changes in the controlled variable. The theoretical and experimental results of the proposed converter are described in this work to validate the developed analysis and demonstrate the structure’s efficiency. The prototype is developed to a application with nominal power of 200 W, nominal output voltage equal 450 V and an input voltage varying between 20 V and 40 V. The efficiency obtained to proposed converter operating in frequency of the 35 kHz in nominal power is 91,28% and efficiency equal 89,04% to nominal power in frequency of the 90 kHz.

Orientadores: Elnatan Chagas Ferreira, Sandro Augusto Pavlik Haddad Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Ao longo dos anos, microcontroladores tornaram-se mais rápidos e mais poderosos em sua capacidade de processamento graças à evolução dos processos de fabricação. Os novos processos CMOS de menores geometrias exigem tolerâncias menores quanto à tensão de ali-mentação. A lógica digital nesses dispositivos exige que o regulador interno forneça uma ten-são de alimentação estável e precisa, muitas vezes sem o auxílio de um capacitor externo de desacoplamento, o que torna o projeto do regulador uma tarefa árdua devido à natureza da carga digital. São milhões de portas lógicas comutando simultaneamente que ocasionam picos de corrente que podem atingir dezenas de vezes o valor médio do consumo de corrente. Como resultado, o regulador interno deve ser projetado para atender a esse perfil de carga, especial-mente durante as transições de modos de operação. Em outras palavras, quando o microcon-trolador sai de um modo de ultrabaixo consumo (de poucos microampères) para outro modo de operação de alto consumo de potência (dezenas ou centenas de miliampères) e vice-versa. Esse trabalho apresenta a implementação de um regulador LDO (low dropout) utilizan-do um dispositivo de saída NMOS que não sofre de problemas de estabilidade em altas fre-quências. A nova topologia alcança redução de área de silício significativa no estágio de saída e resposta transitória muito rápida para transições agressivas de carga, sem a necessidade de capacitor externo. Um protótipo do circuito proposto foi implementado em tecnologia CMOS split gate TFS (Thin Film Storage) de 90 nm. O silício foi encapsulado em QFP64 e avaliado em labora-tório nas dependências da NXP Semiconductors Brasil. Outra versão do circuito, em processo CMOS 55 nm, já está em produção, foi caracterizado e qualificado em ambiente automotivo. As medidas em laboratório demonstraram que o novo circuito responde extremamente rápido aos transientes de carga na versão fabricada em tecnologia CMOS 90 nm. Isso o torna apropri-ado para aplicações em microcontroladores (cargas predominantemente digitais). Na versão fabricada em 55 nm, mais de uma centena de peças foram medidas em pro-cesso (split lots) e temperatura e serviram para demonstrar que o circuito pode ser projetado também para aplicações focando baixo consumo energia Abstract: Modern power management System-on-a-Chip (SoC) design demands for fully integrat-ed solutions in order to decrease certain costly features such as the total chip area and the power consumption while maintaining or increasing the regulator response during aggressive load variations. Low-Dropout (LDO) voltage regulators, as power management devices, must comply with these recent technological and industrial trends. On-chip embedded LDO voltage regulators have to deliver stable and accurate local supply voltages to digital circuits that draw large and fast slew-rate current peaks, characteris-tics that are difficult to implement when off-chip inductors and capacitors are not used. The structure and frequency compensation scheme of classical LDO regulators, especially with low-voltage designs, present a trade-off between stability and transient response of the LDO regulator. To improve load regulation under large and fast load variations in linear regulators, it is necessary to employ large area output drivers. Thus, besides stability issues, another diffi-culty in designing LDOs is to create a compact driver with good load regulation and a fast transient response under large load variations. This manuscript presents a novel topology of a capacitor-free CMOS LDO regulator utilizing a compact NMOS output driver. The new output driver cell achieves low voltage ripple and very fast transient response under large load steps with a small silicone area. The circuit has been implemented in a 90 nm CMOS process technology. Silicon results demonstrated a transient loop response faster than 30 ns to a load variation of four orders of magnitude. Another version of the circuit has been implemented in a 55 nm CMOS technology. Alt-hough primarily targeted to attain low power requirements, this version has been qualified to meet industry standard automotive specifications and is currently in production as part of the Power Management Controller (PMC) block integrated within a family of MCUs used in au-tomotive and industrial powertrain Doutorado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Doutor em Engenharia Elétrica

This dissertation deals with the simultaneous voltage and reactive power (volt/var) control in electrical distribution feeders by the application of capacitor banks and voltage regulators. Since the volt/var planning is characterized as a multiobjective problem, the optimization strategy is based on the use of two genetic algorithms in a chained way: the first one provides capacitor placement, size and type (fixed or switched) in order to achieve power losses reduction, whereas the second defines placement and the operating taps of voltage regulators in order to reduce the voltage deviation in the bars, improving the network’s voltage profile. The fitness function’s formulation of each genetic algorithm takes into account costs minimization. The proposed methodology is evaluated for a 10-bus system from literature and the results from a 63-bus radial distribution network are also presented, which allow losses reduction and improvement of the voltage profiles. Moreover, a multiobjective genetic algorithm (SPEA2) is implemented in order to compare the performance of the methodologies in the volt/var problem’s solution. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Esta dissertação trata do controle integrado de tensão e potência reativa (volt/var) em sistemas de distribuição primária a partir da alocação ótima de bancos de capacitores e reguladores de tensão. Uma vez que o planejamento volt/var se caracteriza como um problema multiobjetivo, adota-se uma estratégia de otimização que utiliza dois algoritmos genéticos de forma encadeada: o primeiro estabelece a localização, o dimensionamento e o tipo (fixo ou chaveado) dos bancos de capacitores que devem ser instalados na rede de modo a garantir redução de perdas, enquanto o segundo define a localização e os taps de operação dos reguladores de tensão visando a minimização dos desvios de tensão nas barras do alimentador. A formulação matemática da função objetivo de cada algoritmo genético se baseia na minimização de custos. A metodologia proposta é validada a partir de um sistema teste composto por 10 barras e os resultados para um alimentador real de distribuição radial de 63 barras também são apresentados, garantindo redução significativa de perdas e melhoria do perfil de tensão nas barras do sistema. De forma adicional, um algoritmo genético multiobjetivo proposto na literatura (SPEA2) é implementado de modo a comparar-se o desempenho das duas metodologias na solução do problema volt/var.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The increase in linear and non-linear loads experienced by Brazil in recent years has changed the way distribution networks are planned and Operated. In addition, the competitiveness of the market and the demand for the improvement in power quality indexes mean that current e orts are increasingly focused on areas such as voltage profile control and voltage harmonic distortion control. This work deals, exactly, with the Integrated control of voltage and harmonic voltage distortion (volt/thd) in distribution systems, within the scope of planning, through the insertion of passive harmonics filters and voltage regulators. To solve the problem in question, a multiobjective algorithm, the NSGA-II, is applied, since the presented problem can be treated as a combinatorial optimization problem. The power summation method is used as an alternative for the resolution of the load flow. While the current injection method is used as a calculation of the harmonic flow. The mathematical models of the network components were presented, taking into account the influence of frequency, in a detailed way. The proposed algorithm was applied in benchmark systems, a 34-bus and a 104-bus, the systems were simulated with and without the presence of the devices for comparison and validation of the results. O aumento de cargas, lineares e não-lineares, vivenciado pelo Brasil nos últimos anos, tem alterado a maneira com as redes de distribuição são planejadas e operadas. Além disso, a competitividade do mercado e exigência pela melhoria nos índices de qualidade da energia fazem com que os esforços atuais sejam cada vez mais direcionados para áreas como o controle do perfil de tensão e o controle das distorções harmônicas de tensão. Esta dissertação trata, exatamente, do controle integrado de tensão e distorção harmônica de tensão (volt/dht) em sistemas de distribuição, no âmbito do planejamento, através da inserção de filtros harmônicos passivos e reguladores de tensão. Para resolver o problema em questão, um algoritmo multiobjetivo, o NSGA-II, é aplicado, uma vez que o problema apresentado é tratado como um problema de otimização combinatória. O método da soma de potências é utilizado como alternativa para a resolução do fluxo de carga. Enquanto que o método da injeção de correntes é utilizado como cálculo do fluxo de harmônicos. Os modelos matemáticos dos componentes da rede foram apresentados, levando-se em consideração a influência da frequência, de forma detalhada. O algoritmo proposto foi aplicado em sistemas teste de 34 e 104 barras e os sistemas foram simulados com e sem a presença dos dispositivos para efeito de comparação e validação dos resultados.