Solución de un problema de optimización clásico usando el paquete optimizador GAMS: implementación del problema de despacho económico

This paper presents an effectiveness strategy to model and solve nonlinear mathematical optimization problems in electrical engineering using General Algebraic Modeling System (GAMS) for undergraduate students. A classical problem known as economic dispatch has been selected to show the need of using mathematical tools to solve a large scale optimization problem related with engineering. The economic dispatch is a classical optimization problem in operation of thermal electric systems, being the main idea to find an economical operation for thermal generators. This operation is based on a quadratic cost curve with some operating constraints, i.e., power balance and generation capacities. A numerical simulation is implemented using GAMS optimization package in demo version. This research has been developed with the support of 36 students of the course of Regulation and Operation of Electrical Systems (ROES) in the program of Electrical Engineering at Universidad Tecnológica de Pereira (UTP).En este artículo se presenta una estrategia para modelar y resolver problemas no lineales de optimización con estudiantes de pregrado en ingeniería eléctrica empleando el Sistema de Modelado Algebraico General (GAMS). El problema clásico conocido como despacho económico ha sido seleccionado para mostrar la necesidad de usar herramientas matemáticas para resolver problemas de gran tamaño relacionados con ingeniería. El despacho económico es un problema clásico de optimización en operación de sistemas termoeléctricos, cuya idea principal es encontrar la operación más económica para los generadores térmicos. Esta operación está basada en una curva cuadrática de costos con algunas restricciones operativas, como por ejemplo, balance de potencia y capacidades de generación. La simulación numérica es implementada en GAMS usando una versión de prueba. Esta investigación ha sido desarrollada con la ayuda de 36 estudiantes del curso de Regulación y Operación de Sistemas Eléctricos (ROES) del programa de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Tecnológica de Pereira (UTP)

Passivity-based analysis and control of AC microgrids: Integration, operation and control of energy storage systems

Microgrids are essential subsystems of modern electric power systems. They allow providing electrical energy service for millions of people around the world by integrating multiple distributed energy resources and energy storage technologies at a small scale. This thesis studies these systems from the dynamical analysis and control point of view, to ful ll three main objectives: rst, to model pulse-width-modulated voltage and current source converters for integrating distributed energy resources in ac microgrids (Grids) with single-phase and three-phase topologies; second, to develop Hamiltonian models for representing the whole dynamics of ac Grids via classical circuit theory, since this model exhibits interconnection and dissipation structures typical in Lagrangian and Hamiltonian modeling; third, to design passivity-based controllers for guaranteeing stable operation of the entire Grids when these are operated under grid-connected or isolated modes. Hamiltonian modeling of power electronic converters based on voltage and current source technologies as well as Hamiltonian models of electrical Grids facilitate the dynamical analysis under the passivity paradigm with stability and scalability criteria. The main contributions of this thesis are: integrating supercapacitors and superconducting coils in ac power grids through a uni ed control model; uni ed ac grid modeling via circuit theory and active and reactive power decoupling in power converters under grid-connected mode as well as voltage and frequency control for isolated Grid con gurations. Finally, simulation results corroborate the theoretical developments presented in this thesis

Planeación optima de sistemas de distribución considerando reconectadores automáticos para aislamiento de fallas y transferencia de carga

En este trabajo se presenta una metodología para resolver el problema de planeamiento de sistemas de distribución primarios en conjunto con la ubicación optima de reconectadores automáticos para aislamiento de fallas y transferencia de carga. Para solucionar el problema del planeamiento se formula un modelo mono-objetivo de tipo no lineal entero mixto, el cual tiene como objetivo la minimización de los costos de inversión y operación sujeto a un conjunto de restricciones técnicas y operativas; para solucionarlo se emplea el algoritmo Búsqueda Tabú (BT). Para el problema de la ubicación de reconectadores se plantea un modelo multi-objetivo de tipo no lineal entero mixto, el cual tiene como objetivos la minimizaci on de los costos de inversi on y la minimizaci on del nivel de energía no servida; para solucionarlo se emplea el Algoritmo Genético de Ordenamiento no dominado(NSGA II, por sus siglas en inglés). Para darle solución al problema de la planeación de sistemas de distribución considerando reconectadores, en este trabajo se proponen dos enfoques: el primero emplea una metodología en cascada y el segundo una metodolog ía integrada. En el primer enfoque inicialmente se soluciona el problema de la planeación optima de la red y luego son ubicados los reconectadores normalmente cerrados y normalmente abiertos para aislamiento de fallas y transferencia de carga, respectivamente. El segundo enfoque considera la planeación de la red de distribución en conjunto con la ubicación de reconectadores en forma integrada, lo que quiere decir que cada propuesta de solución para el problema de planeamiento lleva consigo la propuesta de ubicación optima de los elementos de protección. Para validar ambas metodologías propuestas son empleados dos sistemas de prueba de la literatura especializada de diferentes tamaños. Debido a que en la solución de este tipo de problemas los sistemas son modelados por su equivalente monofásico, en este trabajo se modificaron estos dos sistemas para introducir el efecto del desbalance de cargas, con el fin de ajustarlos a la realidad de los sistemas eléctricos en Colombia. Finalmente los resultados de las metodologías son comparados para verificar su eficiencia

Control híbrido del péndulo de furuta

Este proyecto muestra el modelado matemático del péndulo de furuta mediante funciones de energía, teniendo en cuenta las dinámicas no lineales propias de los sistemas físicos y considerando los acoples existentes entre los dispositivos eléctricos y mecánicos. Se desarrolla un proceso de control basado en realimentación de variables de estado para el punto de equilibrio y se abordan dos temáticas para la zona no lineal de la planta. En primera instancia se implementan las funciones que representan los estados energéticos de la planta en forma global y se establecen las regiones de operación (zona de "Swing UP") y finalmente se emplean redes neuronales (RNA) para emular el comportamiento de las funciones de energía. Se presenta la combinación de las técnicas de control considerando las restricciones propias del actuador y sensores utilizados, además se presenta un estudio de fenómenos físicos que pueden alterar el comportamiento del sistema

On the Use of the p-q Theory for Harmonic Current Cancellation with Shunt Active Filters

Discussion and mathematical proof on necessary and sufficient conditions for the application of the {p-q} theory for compensating the harmonic currents consumed by non-linear load using a shunt active filter are presented. These conditions over instantaneous active and reactive powers were not addressed before and must be considered on the design of new control strategies based on {p-q} theory. Theoretical demonstration is proposed and an application example with simulations results is used to validate the theoretical results

Control óptimo en tiempo discreto para un péndulo con rueda de reacción: un enfoque de control basado en pasividad

Este documento presenta el diseño de un controlador para el péndulo con rueda de reacción usando una representación discreta a través de la técnica de control óptimo inverso desde el punto de vista de análisis basado en pasividad. La principal ventaja del controlador propuesto es que este permite garantizar estabilidad asintótica en el sentido de Lyapunov a través de una función cuadrática. Los resultados numéricos demuestran que el diseño de control óptimo inverso tiene in desempeño superior en comparación con enfoques continuos basados en Lyapunov y control basado en pasividad por inyección de interconexión y amortiguamiento. Una ventaja adicional del método de control óptimo inverso es su fácil implementación, ya que no requiere de la inclusión de estados adicionales (acciones integrales) y sólo requiere una discretización básica empleado un único paso hacia atrás. Todas las simulaciones presentadas en este trabajo han sido implementadas en el software MATLAB/OCTAVE empleando código en la ventana de desarrollo.In this paper it is presented the design of a controller for a reaction wheel pendulum using a discrete-time representation via optimal control from the point of view of passivity-based control analysis. The main advantage of the proposed approach is that it allows to guarantee asymptotic stability convergence using a quadratic candidate Lyapunov function. Numerical simulations show that the proposed inverse optimal control design permits to reach superior numerical performance reported by continuous approaches such as Lyapunov control functions and interconnection, and damping assignment passivity-based controllers. An additional advantage of the proposed inverse optimal control method is its easy implementation since it does not employ additional states. It is only required a basic discretization of the time-domain dynamical model based on the backward representation. All the simulations are carried out in MATLAB/OCTAVE software using a codification on the script environment.Fil: Montoya Giraldo, Oscar Danilo. Universidad Distrital Francisco José de Caldas; ColombiaFil: Gil González, Walter. Universidad Tecnologica de Bolivar; ColombiaFil: Serra, Federico Martin. Universidad Nacional de San Luis. Facultad de Ingeniería y Ciencias Agropecuarias. Laboratorio de Control Automático; Argentin

A two-stage approach to locate and size PV sources in distribution networks for annual grid operative costs minimization

This paper contributes with a new two-stage optimization methodology to solve the problem of the optimal placement and sizing of solar photovoltaic (PV) generation units in mediumvoltage distribution networks. The optimization problem is formulated with a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) model, where it combines binary variables regarding the nodes where the PV generators will be located and continuous variables associated with the power flow solution. To solve the MINLP model a decoupled methodology is used where the binary problem is firstly solved with mixed-integer quadratic approximation; and once the nodes where the PV sources will be located are known, the dimensioning problem of the PV generators is secondly solved through an interior point method applied to the classical multi-period power flow formulation. Numerical results in the IEEE 33-bus and IEEE 85-bus systems demonstrate that the proposed approach improves the current literature results reached with combinatorial methods such as the Chu and Beasley genetic algorithm, the vortex search algorithm, the Newton-metaheuristic algorithm as well as the exact solution of the MINLP model with the GAMS software and the BONMIN solver. All the numerical simulations are implemented in the MATLAB programming environment and the convex equivalent models are solved with the CVX tool

On the Efficiency in Electrical Networks with AC and DC Operation Technologies: A Comparative Study at the Distribution Stage

This research deals with the efficiency comparison between AC and DC distribution networks that can provide electricity to rural and urban areas from the point of view of grid energy losses and greenhouse gas emissions impact. Configurations for medium-and low-voltage networks are analyzed via optimal power flow analysis by adding voltage regulation and devices capabilities sources in the mathematical formulation. Renewable energy resources such as wind and photovoltaic are considered using typical daily generation curves. Batteries are formulated with a linear representation taking into account operative bounds suggested by manufacturers. Numerical results in two electrical networks with 0.24 kV and 12.66 kV (with radial and meshed configurations) are performed with constant power loads at all the nodes. These simulations confirm that power distribution with DC technology is more efficient regarding energy losses, voltage profiles and greenhouse emissions than its AC counterpart. All the numerical results are tested in the General Algebraic Modeling System widely known as GAMS.Fil: Montoya Giraldo, Oscar Danilo. Universidad Tecnológica de Bolívar; Colombia. Universidad Distrital Francisco José de Caldas; ColombiaFil: Serra, Federico Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de San Luis; ArgentinaFil: de Angelo, Cristian Hernan. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados; Argentin

Application of salp swarm optimization algorithm to estimate parameters in single-phase transformers considering voltage and current measures

This article presents a solution methodology for the estimation of parameters of single-phase transformers considering the measurements of voltage and current, for which a non-linear optimization model is used. This model is based on minimizing the mean square error between the measured and calculated voltage and current variables. This nonlinear programming model is solved by implementing the Salp swarm optimization algorithm. The results obtained show that the proposed optimization method allows reducing the error between the estimation of the measured and calculated variables; in addition, the proposed optimization method improves the results presented by other optimization methods reported in the specialized literature. All the simulations were performed in the MATLAB programming environment.En este artículo se presenta una metodología de solución para la estimación de parámetros de transformadores monofásicos considerando las mediciones de tensión y corriente; para ello se emplea un modelo de optimización no lineal. Este modelo se basa en minimizar el error cuadrático medio entre las variables de tensión y corriente medidas y calculadas. Este modelo de programación no lineal se resuelve mediante la implementación del algoritmo de optimización de las salpas. Los resultados obtenidos demuestran que el método de optimización propuesto permite reducir el error entre la estimación de las variables medidas y calculadas; además, el método de optimización propuesto mejora los resultados presentados por otros métodos de optimización reportados en la literatura especializada. Todas las simulaciones se realizaron en el entorno de programación MATLAB

Lógica Difusa Aplicada al Control Local del Péndulo Invertido con Rueda de Reacción

En este artículo se presenta el diseño y la implementación de un controlador difuso para el péndulo invertido con rueda de reacción. La metodología utiliza los conceptos fundamentales de la lógica difusa para diseñar el controlador a partir del conocimiento que los operarios tienen sobre la dinámica del sistema, evitando así, el modelado dinámico del mismo. El diseño se implementa sobre el modelo no lineal del sistema y se aplican diferentes tipos de perturbaciones con el fin de evaluar las capacidades del controlador. Los resultados muestran que los controladores basados en lógica difusa tienen una buena respuesta ante distintos tipos de perturbaciones que afectan la operación de los sistemas