Estabilidad y amortiguamiento de oscilaciones en sistemas eléctricos con alta penetración eólica

Este documento constituye la tesis doctoral del doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática de la Universidad Carlos III de Madrid. El trabajo presentado se centra en el análisis de las oscilaciones electromecánicas en sistemas con elevada penetración de energía eólica, y la propuesta de métodos de control en aerogeneradores de velocidad variable que atenúen dichas oscilaciones. Además de los capítulos previos de introducción, revisión bibliográfica y descripción de modelos, este trabajo contiene tres partes principales. En la primera parte, desarrollada en el capítulo 4, se propone un procedimiento de análisis de pequeña señal y amortiguación de oscilaciones a un sistema eléctrico con parques eólicos utilizando redes neuronales artificiales. El estudio abordado consiste en la búsqueda de un punto de operación estable a partir de un sistema inestable o con modos de oscilación poco amortiguados. El sistema analizado es la red de New England, al que se ha añadido un porcentaje significativo de generación eólica. El proceso consiste en aplicar pequeños cambios sucesivos a ciertos parámetros del sistema, y tiene como objetivo modificar el punto de operación para desplazar hacia la izquierda en el plano complejo los autovalores con parte real positiva o casi nula. Los parámetros sobre los que se actúa en este trabajo son el redespacho de generación y la tensión en los nudos. La segunda y tercera parte del trabajo, desarrolladas en los capítulos 5 y 6 proponen un sistema de control de potencia activa aplicable a los aerogeneradores de velocidad variable, al que se ha denominado en este documento estabilizador eólico de sistemas eléctricos. El interés de este control viene motivado porque, aunque en la actualidad los estabilizadores de potencia son la solución más efectiva y económica para proveer de amortiguamiento adicional al sistema, la alta penetración de energía eólica en el sistema puede provocar que estos dispositivos no sean capaces de aportar el amortiguamiento requerido. Por ejemplo, por encontrarse fuera de servicio los generadores en los cuales se ha instalado este dispositivo, o por reducción de su potencia debido al ingreso de generación eólica. El control propuesto en este trabajo no intenta reproducir el comportamiento de una planta de generación convencional, sino contribuir al amortiguamiento de las oscilaciones electromecánicas, y principalmente las oscilaciones entre áreas. En la segunda parte, el sistema de control ha sido ensayado en la red de 39 nudos de New England a la que se ha añadido una cantidad significativa de generación eólica utilizando el modelo completo del aerogenerador, y en la tercera parte, el sistema de control ha sido ensayado en el Sistema Eléctrico Peninsular utilizando el modelo simplificado con el fin de retener únicamente sus características fundamentales y facilitar el análisis de los resultados. Para obtener una evaluación del funcionamiento del control se utiliza descomposición modal aplicada al flujo de potencia activa entre nudos del sistema utilizando el método de aproximación de mínimos cuadrados provisto por el software PSS/E. _____________________________________________________This work constitutes the doctoral dissertation to receive the Doctor of Philosophy (PhD) degree in Electrical, Electronic and Automatic Engineering of Carlos III University of Madrid. This work is focused in the analysis of electromechanical mode of oscillations in power systems with high penetration of the system in wind, and a proposal of control methods applicable to variable-speed wind turbines for damping power system oscillations. Besides presenting an updated bibliographic revision, introduction and a model description chapter, this work contains three main parts. The first part is developed in chapter 4. This part proposes a method for small-signal stability analysis and damping oscillations in a power system including a wind park using artificial neural networks. This study consists of a search for a stable operating point starting from either an unstable system or a system that contains poorly damped inter-area oscillations. The test system considered in the study is a 39-bus New England system, at which a significant amount of wind energy has been integrated for small-signal analysis. The process consists in applying small successive changes for certain system parameters, and has as objective to modify the operation point to move toward the lefthalf plane the eigenvalues with positive or almost zero real part. In this work, the following parameters have been modified on the 9-bus system: generation dispatch, and bus voltages. The second and three parts are developed in chapter 5 and 6. These parts propose an active power control method applicable to variable-speed wind turbine, which has been denominated in this work as wind power system stabilizer. The motivation of the proposed control design comes from power system stabilizer. Although these devices are still the most cost-effective solution capable of providing supplementary damping to the system, these stabilizers may no longer be able of providing the necessary required damping due to the high penetration of the system in wind. For instance, if either the generators which have these devices installed are out of service or if there is a power reduction to accommodate wind energy. In this thesis; the proposed control does not try to reproduce the behavior of conventional generation plants, but contributing to the damping of electromechanical oscillations, and mainly inter-area oscillations. In the second part of this work, this control has been evaluated in the 39-Bus New England test system, at which a significant amount of wind energy has been integrated for small signal analysis using a variable-speed wind turbine full-model. In the third part of this work the control has been evaluated in the Spanish Peninsular Power System using a simplified-model of the variable-speed wind converter with the purpose of keeping the most fundamental characteristics facilitating the analysis of the results. To evaluate the performance of the proposed control, modal decomposition is applied to the active power flow between buses of the system using the least square approximation method provided by the PSS/E software tool

Desarrollo de herramientas para la simulación de dispositivos basados en semiconductores magnéticos

Este trabajo se enmarca en un área emergente de la ciencia y la tecnología conocida como magnetrónica o espintrónica. El objetivo de esta disciplina es emplear el espín como portador de información, para el desarrollo de nuevos dispositivos que posibiliten procesar, transmitir y almacenar información de forma más eficiente. La espintrónica tiene sus orígenes en los años 70, con el estudio de uniones de metales magnéticos. En los últimos años, este campo ha sufrido un enorme impulso a raíz del descubrimiento del efecto de magnetorresistencia gigante (GMR) en sistemas multicapa de metales ferromagnéticos y su aplicación en sistemas de almacenamiento masivo. Otra de las razones del creciente interés en este tipo de tecnología ha sido la aparición de materiales semiconductores que poseen propiedades ferromagnéticas a temperatura ambiente, lo cual permite un control del estado de polarización del momento de espín de los portadores de carga en el material. Esto tiene un gran interés porque permitiría la integración de los nuevos dispositivos espintrónicos con la electrónica tradicional o incluso ser un posible sustituto tecnológico de esta debido a las supuestas mejoras que la computación mediante espín parece prometer en términos de eficiencia energética, miniaturización y velocidades de conmutación. Durante este proyecto se han desarrollo modelos analíticos y un simulador numérico, basado en el modelo de arrastre y difusión, incluyendo el nuevo grado de libertad, el espín, para la caracterización eléctrica de un dispositivo basado en materiales semiconductores magnéticos. Se ha modificado el modelo de transporte túnel, basado en la aproximación WKB, para incluir el efecto de la magnetización en los semiconductores magnéticos. Se ha incluido modelos para obtener el desdoblamiento de las bandas de energía de los semiconductores empleados a partir de variables conocidas (temperatura, concentración de impurezas y campos magnéticos externos). Se ha simulado la respuesta eléctrica y su dependencia con la temperatura, la concentración de impurezas o el nivel de magnetización de diodos Zener basados en (Ga,Mn)As y (Zn,Co)O y una unión magnética túnel con una estructura (Zn,Co)O/ZnO/(Zn,Co)O. Se ha demostrado la viabilidad del modelo de arrastre y difusión, ampliamente empleado en electrónica, para la caracterización de dispositivos espintrónicos analizando el comportamiento de la propiedad conocida como magnetorresistencia túnel (TMR) y comparando con resultados experimentale

Finite difference method in electromagnetic problems

programs in the Matlab environment will be presented. Firstly, it will be demostrated the validity of this method to analyse waveguides and resonant cavities of various geometries and loaded with different media. This work reviews and compares different methods of solving electromagnetic problems by means of the FDM. The plan of this project can be specified in the following points: • Go over the concepts of Maxwell’s equations. • Implementation of FDM in one and two dimensions using Matlab environment. • Verification of the algorithms for a few structrures ( field distributions, resonant frequencies, cutoff frequencies, dispersion characteristics, etc ). • Analysis of possibilities of acceleration of the method in some special courses. Objectives: • Both understanding electromagnetic phenomenon in microwave and optical structures due to direct solution of Maxwell (in FDM). • Full acces to all variables and procedures. • Possibility of arbitrary modifications of the method (dedicated software can be faster and more accurate than the commercial one).Escuela Técnica Superior de Ingeniería de TelecomunicaciónUniversidad Politécnica de Cartagen

Modelización de baterías de litio per simular el efecto del su envejecimiento

En 1990 se comercializo el primer acumulador que empleaba la tecnología Li-ion, 30 años después su uso se ha extendido y popularizado en herramientas como smartphones, ordenadores portátiles, vehículos, etc. El avance en los sistemas informáticos, su complejidad y las mejoras en los tiempos de procesos, conjuntamente con el uso de modelos matemáticos centrados en los mecanismos de degradación de baterías. Nos ha permitido crear simulaciones con el objetivo de mejora en la eficiencia de las baterías. El presente proyecto proporciona una descripción al detalle del mecanismo de funcionamiento electroquímico de las baterías de litio y expone una tipología de modelo termoeléctrico de degradación basado en las diferentes reacciones que se dan en el sistema. En concreto, en el desarrollo de la película SEI y pasiva en los electrodos negativo y positivo correspondientes. Este efecto genera pérdidas en el inventario de litio de nuestra batería, así como la perdida de material activo. Partiendo de un código preexistente desarrollado en Matlab® que simula funcionamiento del modelo electroquímico y termoeléctrico de una celda de ion litio. Se ha desarrollado un software que permite aplicar la técnica de espectroscopía de impedancia electroquímica o EIS. Simulando el comportamiento de la EIS que tiene una celda de ion litio en función de diferentes variables como: el estado de carga o SOC, la temperatura, la degradación de la batería y el envejecimiento o SOH. Este último se ha podido llevar a cabo gracias al proyecto anterior, que nos ha dado la posibilidad de generar un ciclado en nuestra batería de 325 ciclos. Hemos encontrado que el descenso del estado de carga aumenta la impedancia de nuestra batería sobre todo en los porcentajes más bajos. Además, el aumento de la impedancia también tiene relación con la degradación de la batería y su envejecimiento, al igual que al reducir la temperatura de dicha batería. En conclusión, se ha demostrado que el modelo es capaz de ayudar a entender mejor el comportamiento de la impedancia en el funcionamiento de las baterías de lito en algunos de sus diferentes estados durante su vida útil.El 1990 es va comercialitzar el primer acumulador que emprava la tecnologia Li-ion, 30 anys després el seu ús s'ha estès i popularitzat en eines com smartphones, ordinadors portàtils, vehicles, etc. L'avanç en els sistemes informàtics, la seva complexitat i les millores en els temps de processos, conjuntament amb l'ús de models matemàtics centrats en els mecanismes de degradació de bateries. Ens ha permès crear simulacions amb l'objectiu de millora en l'eficiència de les bateries. El present projecte proporciona una descripció al detall del mecanisme de funcionament electroquímic de les bateries de liti i exposa una tipologia de model termoelèctric de degradació basat en les diferents reaccions que es donen en el sistema. En concret, en el desenvolupament de la pel·lícula SEI i passiva en els elèctrodes negatiu i positiu corresponents. Aquest efecte genera pèrdues en l'inventari de liti de la nostra bateria, així com la pèrdua de material actiu. Partint d'un codi preexistent desenvolupat en Matlab® que simula funcionament del model electroquímic i termoelèctric d'una cel·la d'ió liti. S'ha desenvolupat un programari que permet aplicar la tècnica d'espectroscòpia d'impedància electroquímica o EIS. Simulant el comportament de l'EIS que té una cel·la d'ió liti en funció de diferents variables com: l'estat de càrrega o SOC, la temperatura, la degradació de la bateria i l'envelliment o SOH. Aquest últim s'ha pogut dur a terme gràcies a el projecte anterior, que ens ha donat la possibilitat de generar un ciclat en la nostra bateria de 325 cicles. Hem trobat que el descens de l'estat de càrrega augmenta la impedància de la nostra bateria sobretot en els percentatges més baixos. A més, l'augment de la impedància també té relació amb la degradació de la bateria i el seu envelliment, a l'igual que al reduir la temperatura de la bateria. En conclusió, s'ha demostrat que el model és capaç d'ajudar a entendre millor el comportament de la impedància en el funcionament de les bateries de liti en alguns dels seus diferents estats durant la seva vida útil.In 1990 the first accumulator that used Li-ion technology was marketed. 30 years later its use has spread and popularized in tools such as smartphones, laptops, vehicles, etc. Advances in computer systems, their complexity and improvements in process times. In addition to the use of mathematical models focused on battery degradation mechanisms. It has allowed us to create simulations with the aim of improving battery efficiency. This project provides a detailed description of the electrochemical operating mechanism of lithium batteries and exposes a typology of a thermoelectric degradation model based on the different reactions that occur in the system. Specifically, in the development of the SEI and passive film on the corresponding negative and positive electrodes. This effect generates losses in the lithium inventory of our battery, as well as the loss of active material. Starting from a pre-existing code developed in Matlab® that simulates the operation of the electrochemical and thermoelectric model of a lithiumion cell. A new software has been developed that allows the application of the electrochemical impedance spectroscopy or EIS technique. Simulating the behaviour of the EIS that a lithium-ion cell has based on different variables such as: state of charge or SOC, temperature, battery degradation and aging or SOH. The latter has been carried out thanks to the previous project, which has given us the possibility of generating a battery cycle of 325 cycles. We have found that the decrease in the state of charge increases the impedance of our battery, especially in the lowest percentages. In addition, the increase in impedance is also related to the degradation of the battery and its aging, as well as reducing the temperature of the battery. In conclusion, it has been shown that the model is capable to help to understand better the behaviour of impedance in the operation of lithium batteries in some of their different states during their useful life

Aplicación del método de redes a la solución de problemas de fricción seca: superficies suaves a escala atómica y superficies a escala macroscópica

[ESP] El estudio del fenómeno cotidiano que supone la fricción sigue manteniendo un gran nivel de dificultad a pesar de su larga historia. Las causas de esta dificultad radican en las diferentes escalas de las características del fenómeno, macroscópicas y microscópicas, y en su distinto comportamiento en condiciones estáticas y dinámicas. A lo mencionado anteriormente se añade que los sistemas sujetos a fricción son muy sensibles al valor de los parámetros que los definen, pudiendo dar lugar a comportamientos caóticos. Así, han ido apareciendo modelos muy diferentes, válidos en un ámbito reducido, y que utilizan simplificaciones importantes que impiden su generalización. En esta tesis se presenta la aplicación del método de simulación por redes a la solución numérica al estudio de la fricción a escalas muy distintas. Por un lado, a escala microscópica se han estudiado los modelos de Frenkel-Kontorova-Tomlinson y de diferentes microscopios de fuerza atómica, relacionados con el análisis de superficies suaves a escala atómica. Por otro lado, a escala macroscópica se han estudiado los modelos relacionados con el análisis de superficies industriales, como el de un mecanismo de freno. Tras presentar en esta memoria una revisión de las distintas formulaciones de la fuerza de fricción, de la naturaleza de las superficies que participan en el fenómeno, así como de la definición de los problemas a analizar (Capítulo 2); se revisan las herramientas relacionadas con el análisis de la estabilidad de los sistemas dinámicos (Capítulo 3). En este sentido, cabe resaltar la utilidad de los diagramas de fase y los exponentes de Lyapunov, incluyendo los algoritmos más recientes para su estimación. El diseño de los modelos en red y la implementación de las condiciones iniciales se explica en el Capítulo 4. Se ha elaborado un programa en Matlab para la generación de modelos en red, simulación en Pspice y representación gráfica de resultados. En el Capítulo 5 se presenta el resultado de la aplicación de los modelos en red a los problemas planteados en el Capítulo 2. Con el fin de verificar la fiabilidad de los modelos propuestos se comparan sus resultados con las soluciones obtenidas por otros métodos numéricos o resultados experimentales, uno de ellos a partir de un dispositivo desarrollado durante la elaboración de esta memoria. [ENG] The study of everyday phenomena involving friction continues to maintain a high level of difficulty despite its long history. The causes of this problem lie in the different scale of the characteristics of the phenomenon, macroscopic and microscopic, and their different behaviour in static and dynamic conditions. To the above is added to the systems subject to friction are very sensitive to the value of the parameters that define them, may lead to chaotic behaviour. Thus, very different models, valid in a narrow scope and using simplifications that prevent generalization, have been appearing. This thesis presents the application of network simulation method to the numerical solution to the study of friction at very different scales. On the one hand, on a microscopic scale Frenkel-Kontorova-Tomlinson and different atomic force microscopes models have been studied, related to the analysis of soft surfaces at the atomic scale. Furthermore, on a macroscopic scale models related to the analysis of industrial areas, such as a brake mechanism have been studied. After presenting herein is a review of the different formulations of the friction force, the nature of the surfaces involved in the phenomenon, as well as the definition of the problems to be analyzed (Chapter 2); reviews the tools related to stability analysis of dynamic systems (Chapter 3). In this regard, we highlight the usefulness of the phase diagrams and Lyapunov exponents, including recent algorithms for their estimation. The design of network models and the implementation of the initial conditions is explained in Chapter 4. It has developed a program in Matlab to generate network models, Pspice simulation and graphical representation of results. Chapter 5 presents the result of the application of network models to problems in Chapter 2. In order to verify the reliability of the proposed models, their results are compared with the solutions obtained by other numerical methods or experimental results, one from a device developed during the preparation of this report.Universidad Politécnica de Cartagen

Standards guides, 2005-2006

This guide for parents provides information about the South Carolina academic standards for mathematics, English language arts, science and social studies for all grades. The information can help parents become familiar with what their child is learning at school and may include activities to reinforce and support learning, selected book titles for additional reading, and Web site addresses for extended learning