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    String Stability towards Leader thanks to Asymmetric Bidirectional Controller

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    This paper deals with the problem of string stability of interconnected systems with double-integrator open loop dynamics (e.g.~acceleration-controlled vehicles). We analyze an asymmetric bidirectional linear controller, where each vehicle is coupled solely to its immediate predecessor and to its immediate follower with different gains in these two directions. We show that in this setting, unlike with unidirectional or symmetric bidirectional controllers, string stability can be recovered when disturbances act only on a small (NN-independent) set of leading vehicles. This improves existing results from the literature with this assumption. We also indicate that string stability with respect to arbitrarily distributed disturbances cannot be achieved with this controller.Comment: Version 2 corrects a typo in the proof, and adds the proof of stability before string stability. Slightly longer than published versio

    Design and simulation of solar grid-connected charger for electric vehicles

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    © 2018 IEEE. Electric Vehicles (EV) are playing major role in decreasing carbon emissions. The major problem so far with the Electric Vehicles are overloading the Distribution Grids and availability of enough charging stations. The main objective of this research is to design and install a solar powered charging station for EVs in the UAE environment. This research aims to focus on the need for the shifting from the traditional gas and petrol vehicles to Electric vehicles in the UAE. Additionally, the project intends to ease the problem of the additional load that these EVs impose on the grid by powering the charging station from solar energy. This will help evolve the existing transport system of the UAE into a cleaner and greener system. The project is divided mainly into three important parts. First of all, the system components are designed to match with the ratings of available most common EVs. Then the system has been modelled in DIgSILENT Power factory for the simulation and validation of design. Finally, the results from calculations and simulations are described and compared

    Fault Tolerant DC–DC Converters at Homes and Offices

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    The emergence of direct current (DC) microgrids within the context of residential buildings and offices brings in a whole new paradigm in energy distribution. As a result, a set of technical challenges arise, concerning the adoption of efficient, cost-effective, and reliable DC-compatible power conditioning solutions, suitable to interface DC microgrids and energy consuming elements. This thesis encompasses the development of DC–DC power conversion solutions, featuring improved availability and efficiency, suitable to meet the requirements of a comprehensive set of end-uses commonly found in homes and offices. Based on the energy consumption profiles and requirements of the typical elements found at homes and offices, three distinctive groups are established: light-emitting diode (LED) lighting, electric vehicle (EV) charging, and general appliances. For each group, a careful evaluation of the criteria to fulfil is performed, based on which at least one DC–DC power converter is selected and investigated. Totally, a set of five DC–DC converter topologies are addressed in this work, being specific aspects related to fault diagnosis and/or fault tolerance analysed with particular detail in two of them. Firstly, mathematical models are described for LED devices and EV batteries, for the development of a theoretical analysis of the systems’ operation through computational simulations. Based on a compilation of requirements to account for in each end-use (LED lighting, EV charging, and general appliances), brief design considerations are drawn for each converter topology, regarding their architecture and control strategy. Aiming a detailed understanding of the two DC–DC power conversion systems subjected to thorough evaluation in this work – interleaved boost converter and fault-tolerant single-inductor multiple-output (SIMO) converter – under both normal and abnormal conditions, the operation of the systems is evaluated in the presence of open-circuit (OC) faults. Parameters of interest are monitored and evaluated to understand how the failures impact the operation of the entire system. At this stage, valuable information is obtained for the development of fault diagnosis strategies. Taking profit of the data collected in the analysis, a novel fault diagnostic strategy is presented, targeting interleaved DC–DC boost converters for general appliances. Ease of implementation, fast diagnostic and robustness against false alarms distinguish the proposed approach over the state-of-the-art. Its effectiveness is confirmed through a set of operation scenarios, implemented in both simulation environment and experimental context. Finally, an extensive set of reconfiguration strategies is presented and evaluated, aiming to grant fault tolerance capability to the multiple DC–DC converter topologies under analysis. A hybrid reconfiguration approach is developed for the interleaved boost converter. It is demonstrated that the combination of reconfiguration strategies promotes remarkable improvements on the post-fault operation of the converter. In addition, an alternative SIMO converter architecture, featuring inherent tolerance against OC faults, is presented and described. To exploit the OC fault tolerance capability of the fault-tolerant SIMO converter, a converter topology targeted at residential LED lighting systems, two alternative reconfiguration strategies are presented and evaluated in detail. Results obtained from computational simulations and experimental tests confirm the effectiveness of the approaches. To further improve the fault-tolerant SIMO converter with regards to its robustness against sensor faults, while simplifying its hardware architecture, a sensorless current control strategy is presented. The proposed control strategy is evaluated resorting to computational simulations.O surgimento de micro-redes em corrente contínua (CC) em edifícios residenciais e de escritórios estabelece um novo paradigma no domínio da distribuição de energia. Como consequência disso, surge uma panóplia de desafios técnicos ligados à adopção de soluções de conversão de energia, compatíveis com CC, que demonstrem ser eficientes, rentáveis e fiáveis, capazes de estabelecer a interface entre micro-redes em CC e as cargas alimentadas por esse sistema de energia. Até aos dias de hoje, os conversores CC–CC têm vindo a ser maioritariamente utilizados em aplicações de nicho, que geralmente envolvem níveis de potência reduzidos. Porém, as perspectivas futuras apontam para a adopção, em larga escala, destas tecnologias de conversão de energia, também em equipamentos eléctricos residenciais e de escritórios. Tal como qualquer outra tecnologia de conversão electrónica de potência, os conversores CC–CC podem ver o seu funcionamento afectado por falhas que degradam o seu bom funcionamento, sendo que essas falhas acabam por afectar não apenas os conversores em si, mas também as cargas que alimentam, limitando assim o tempo de vida útil do conjunto conversor + carga. Desta forma, é fulcral localizar a origem da falha, para que possam ser adoptadas acções correctivas, capazes de limitar as consequências nefastas associadas à falha. Para responder a este desafio, esta tese contempla o desenvolvimento de soluções de conversão de energia CC–CC altamente eficientes e fiáveis, capazes de responder a requisitos impostos por um conjunto alargado de equipamentos frequentemente encontrados em habitações e escritórios. Com base nos perfis de consumo de energia eléctrica e nos requisitos impostos pelas cargas tipicamente utilizadas em habitações e escritórios, são estabelecidos três grupos distintos: iluminação através de díodos emissores de luz, carregamento de veículo eléctrico (VE) e aparelhos eléctricos em geral. Para cada grupo, é efectuada uma avaliação cuidadosa dos critérios a respeitar, sendo com base nesses critérios que será escolhida e investigada pelo menos uma topologia de conversor CC–CC. No total, são abordadas cinco topologias de conversores CC–CC distintas, sendo que os aspectos ligados ao diagnóstico de avarias e/ou tolerância a falhas são analisados com particular detalhe em duas dessas topologias. Inicialmente, são estabelecidos modelos matemáticos descritivos do comportamento das principais cargas consideradas no estudo – díodos emissores de luz e baterias de VEs – visando a análise teórica do funcionamento dos sistemas em estudo, suportada por simulações computacionais. Com base numa compilação de requisitos a ter em conta em cada aplicação – iluminação através de díodos emissores de luz, carregamento de veículo eléctrico (VE) e aparelhos eléctricos em geral – são estabelecidas considerações ligadas à escolha de cada topologia de conversor não isolado, no que respeita à sua arquitectura e estratégia de controlo. Visando o conhecimento aprofundado das duas topologias de conversor CC–CC alvo de particular enfoque neste trabalho – conversor entrelaçado elevador e conversor de entrada única e múltiplas saídas, tolerante a falhas – quer em funcionamento normal, quer em funcionamento em modo de falha, é avaliado o funcionamento de ambas as topologias na presença de falhas de circuito aberto nos semicondutores activos. Para o efeito, são monitorizados e analisados parâmetros úteis à percepção da forma como os modos de falha avaliados neste trabalho impactam o funcionamento de todo o sistema. Nesta fase, é obtida informação fundamental ao desenvolvimento de estratégias de diagnóstico de avarias, particularmente indicadas para avarias de circuito aberto nos semicondutores activos dos conversores em estudo. Com base na informação recolhida anteriormente, é apresentada uma nova estratégia de diagnóstico de avarias direccionada a conversores CC–CC elevadores entrelaçados utilizados em aparelhos eléctricos, em geral. Facilidade de implementação, rapidez e robustez contra falsos positivos são algumas das características que distinguem a estratégia proposta em relação ao estado da arte. A sua efectividade é confirmada com recurso a uma multiplicidade de cenários de funcionamento, implementados quer em ambiente de simulação, quer em contexto experimental. Por fim, é apresentada e avaliada uma gama alargada de estratégias de reconfiguração, que visam assegurar a tolerância a falhas das diversas topologias de conversores CC–CC em estudo. É desenvolvida uma estratégia de reconfiguração híbrida, direccionada ao conversor entrelaçado elevador, que combina múltiplas medidas de reconfiguração mais simples num único procedimento. Demonstra-se que a combinação de múltiplas estratégias de reconfiguração introduz melhorias substanciais no funcionamento do conversor ao longo do período pós-falha, ao mesmo tempo que assegura a manutenção da qualidade da energia à entrada e saída do conversor reconfigurado. Noutra frente, é apresentada e descrita uma arquitectura alternativa do conversor de entrada única e múltiplas saídas, com tolerância a falhas de circuito aberto. Através da configuração proposta, é possível manter o fornecimento de energia eléctrica a todas as saídas do conversor. Para tirar máximo proveito da tolerância a falhas do conversor de entrada única e múltiplas saídas, uma topologia de conversor indicada para sistemas residenciais de iluminação baseados em díodos emissores de luz, são apresentadas e avaliadas duas estratégias de reconfiguração do conversor, exclusivamente baseadas na adaptação do controlo aplicado ao conversor. Os resultados de simulação computacional e os resultados experimentais obtidos confirmam a efectividade das abordagens adoptadas, através da melhoria da qualidade da energia eléctrica fornecida às diversas saídas do conversor. São assim asseguradas condições essenciais ao funcionamento ininterrupto e estável dos sistemas de iluminação, já que a qualidade da energia eléctrica fornecida aos sistemas de iluminação tem impacto directo na qualidade da luz produzida. Por fim, e para aprimorar o conversor de entrada única e múltiplas saídas tolerante a falhas, no que respeita à sua robustez contra falhas em sensores, é apresentada uma estratégia de controlo de corrente que evita o recurso excessivo a sensores e, ao mesmo tempo, simplifica a estrutura de controlo do conversor. A estratégia apresentada é avaliada através de simulações computacionais. A abordagem apresentada assume vantagens em múltiplos domínios, sendo de destacar vantagens como a melhoria da fiabilidade de todo o sistema de iluminação (conversor + carga), os ganhos atingidos ao nível do rendimento, a redução do custo de implementação da solução, ou a simplificação da estrutura de controlo.This work was supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under grant number SFRH/BD/131002/2017, co-funded by the Ministry of Science, Technology and Higher Education (MCTES), by the European Social Fund (FSE) through the ‘Programa Operacional Regional Centro’ (POR-Centro), and by the Human Capital Operational Programme (POCH)

    Passive solar array orientation system /thermal heliotrope/ Final report, 23 Dec. 1968 - 23 Sep. 1969

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    Tracking requirement, design, and fabrication of passive solar array orientation system using bimetal element

    Dispatchable High-Power Wind Turbine Based on a Multilevel Converter with Modular Structure and Hybrid Energy Storage Integration

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    This paper presents a new multilevel converter solution with modular structure and hybrid energy-storage integration suitable to drive modern/future high-power medium-voltage wind turbines. The hybrid energy-storage integration means that part of the converter submodules are built with batteries and part of them with conventional capacitors. Since traditional wind turbines are non-dispatchable generators, the integration of an energy storage system could be beneficial in multiple ways as the wind power plant could provide stability support to the grid, improvement of the unit commitment and economic dispatch, and the power plant owner could increase his revenues in the electricity market. The capacitors of the proposed converter are responsible to transfer the power produced by the wind turbine to the grid, and the batteries are only charged/discharged with the mismatch between the power produced by the turbine and the power to be injected into the grid, considering a dispatchable operation where the power injected into the grid is different from the power generated by the turbine. The medium-voltage structure could be an interesting option to overcome problems related to high currents in modern/future high-power wind turbines resulting in more efficient, more compact and lighter solutions. Modular multilevel converters are suitable to handle medium-voltage levels and they allow for a straightforward integration of energy storage systems in a decentralized manner
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