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Estratégias de Controle Preditivo Aplicadas ao Mercado de Energia Elétrica na Indústria Sucroalcooleira
Get PDFTCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.Este documento relata os resultados obtidos pelo autor durante seu Projeto de Fim de
Curso em Engenharia de Controle e Automação. Apresenta-se a modelagem e o controle
via simulação de uma planta de processamento de cana de açúcar que possui participação
no mercado brasileiro de energia elétrica. Durante o relatório, são introduzidos os conceitos
necessários para se compreender o funcionamento do mercado de energia no Brasil. O
modelo matemático do sistema é obtido a partir de um fluxograma de vapor. O sistema,
que possui 3 conjuntos turbina/gerador, 3 caldeiras para geração de vapor e diversos
componentes menores interligados, possui demandas de energia elétrica e vapor que
devem ser cumpridas de forma eficiente. A estrutura de controle proposta tem como
propósito resolver o problema de planejamento de curto, médio e longo prazo do despacho
de geradores e o uso inteligente de recursos (bagaço de cana) levando em consideração
diversos fatores presentes no sistema, como a entrada de bagaço no estoque, predições do
preço da energia elétrica e de demandas. Também foram introduzidos conceitos estatísticos
que permitiram a utilização das incertezas associadas ao erros de predição para o preço da
energia elétrica. O algoritmo de controle proposto foi testado em simulações e apresentou
resultados satisfatórios.This document contains the results achieved by the author during his Automation and
Control Engineering End of Course Project period. The modeling and control in a simulation
of a sugar cane processing plant that takes part in the brazilian electrical energy market is
presented. Throughout this report, the concepts necessary to the comprehension of how
the brazilian electrical energy market works are introduced. The mathematical model
of the system is obtained through a steam flow chart. The system, which contains 3
groups of turbines/generators, 3 boilers for steam generation and many lesser compontents
intertwined, has electrical energy and steam demands that must be satisfied efficiently.
The proposed control structure aims to solve the problems of short, medium and long-term
planning of energy generation dispatch and smart use of resources (sugar cane bagasse)
taking into account many aspects of the system such as bagasse input on the storage,
predictions of the electrical energy price and demands. Statistical concepts have also been
introduced in order to enable the use of uncertainties associated with prediction errors of
the electrical energy prices. The proposted control algorithm has been tested in simulation
and presented satisfactory results
Estratégias de Controle Preditivo Estocástico e Tolerante a Falhas aplicadas a Campos Solares
Get PDFTCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.Este documento relata os trabalhos desenvolvidos pelo autor em seu projeto de fim de curso
em controle preditivo de plantas heliotérmicas, na busca da maximização da produção
de energia com o cumprimento de restrições de projeto. No decorrer do relatório são
descritas as características de campos solares de energia concentradas (CSP), apresentando
modelo matemáticos para a simulação e controle destas plantas. As formulações de
controle propostas são de caráter não linear, onde foi feito um estudo para a escolha
da melhor estratégia aplicada na planta em questão. Devido a intermitência da energia
solar, juntamente com sua alta variabilidade, foram propostas também técnicas de controle
preditivo estocástico para garantir uma margem de segurança em unidades CSP, cumprindo
as restrições operacionais necessárias para um bom funcionamento deste tipo de planta.
Foram propostos também controladores tolerante a falhas para lidar com o problema da
perda de eficiência dos captadores de energia solar, algo muito comum em campos solares
de alta potência, sendo necessário nestes casos um controlador mais sofisticado que leva
em conta a variação do sistema no tempo. Um dos maiores problemas em campos solares
consiste no não conhecimento do comportamento futuro da radiação solar, o que faz com
as técnicas desenvolvidas para gestão de energia nestas plantas seja muito conservador.
Para tratar disso o autor propôs métodos de predição de irradiância solar na busca de um
melhor desempenho das técnicas propostas neste documento. Os resultados das técnicas
implementadas foram validados via simulação, utilizando modelos matemáticos de plantas
solares validados na literatura juntamente dados reais das pertubações que dominam estes
sistemas, apresentando resultados satisfatórios quando comparadas com o estado da arte.This document describes the work done by the author during his graduation project
in predictive control applied in heliothermic plants, searching for maximization of en-
ergy production and compliance with project constraints. The document describes the
characteristics of concentrated solar power plants (CSP), showing mathematical models
for simulating and controlling these plants. The control formulations proposed in this
document are non-linear, and it was made an study over which of the strategies used is
best suited for this work’s plant. Due to the intermitence of solar energy, together with
its high variability, it was proposed stochastic control techniques for handling constraints
with a safety margin for CSP. It was also proposed fault tolerant control formulation for
handling the problem with the loss of eficience in solar colectors, an commom problem
in solar plants, were in this cases a more sophisticated contoller is needed for a good
performance. One of the greatest challenges in dealing with solar power is not knowing the
future behavior of the solar radiation, making the control strategies for handling energy in
these plantas very conservative. In order to address this problem it was proposed the use
of solar irradiance prediction models, in the search of enhancing the performance of the
control techiniques proposed in this work. The results of the control strategies developed
in this document were validated through simulation, using well-know mathematical models
for solar plants and real data for the disturbances that dominate this systems, which
showed good results when compared with the state-of-art
Controle Integrado de Microrredes com Energias Renováveis e H2 Verde
No full textEste projeto de iniciação científica desenvolve códigos de simulação que permitam anali-
sar, de um ponto de vista econômico, os efeitos que a eficiência de conversão de energia,
o desgaste de baterias e o preço de compra e venda de energia impactam na operação
de uma microrrede. Este relatório detalha a implementação deste trabalho de pesquisa,
tendo foco na apresentação das condições nas quais as simulações foram realizadas, con-
siderando considerando fontes constantes e intermitentes de potência elétrica fornecida e
demandada pela microrrede. As simulações propostas visam aplicar controladores predi-
tivos baseados em modelo, considerandos tendencias de desgaste de baterias e perfis de
irradiação solar (uma vez que a energia solar foi considerada como fonte de energia inter-
mitente do modelo), em uma microrrede de energia. Fatores como demanda de potência
elétrica e preço de compra e venda de energia foram considerados no processo de otimi-
zação. Além do controle preditivo aplicado para ao controle das potências controladas na
microrrede (com intervalo de interesse de poucos dias), foi desenvolvida uma nova camada
de otimização que visa considerar diversos processos de dinâmica lenta (anos) que pode
afetar o desempenho de sistemas de armazenamento de energia (ESS, do inglês Energy
Storage Systems), ditas nesse trabalho como baterias (incluindo mas não se limitando à
baterias de ácido-chumbo, células de carga e supercapacitores)
A cycle-power optimization strategy for airborne wind energy systems in pumping-kite mode
Get PDFTCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.Sistemas de geração baseados em aerofólios cabeados (AWES - Airborne Wind
Energy Systems) correspondem a uma nova tecnologia para captação da energia
eólica. No modo pumping-kite o aerofólio desenrola um cabo ligado a um tambor
em solo, gerando energia através do desenrolamento do cabo sob alta tração. Após
um período de geração, o cabo atinge um valor máximo e uma fase de recolhimento
é iniciada. Nesta fase a máquina elétrica, antes utilizada como gerador, é acionada
como motor gastando uma parcela da energia gerada para enrolar a quantia de cabo
desenrolada. Para reduzir a energia gasta e prover um melhor aproveitamento ao sis-
tema uma manobra de baixa tração do aerofólio é realizada durante o recolhimento do
cabo.
A trajetória seguida pelo aerofólio, juntamente com a velocidade de desenrola-
mento e enrolamento do cabo e atuações adicionais que afetam o voo do aerofólio
formam um conjunto complexo de variáveis que influenciam o saldo energético do sis-
tema e, consequentemente, a viabilidade do mesmo. Devido à importância do tema,
diversos trabalhos da literatura abordam esta tarefa, no entanto, uma solução definitiva
ainda não foi encontrada.
Durante a fase de geração, é apresentada em [31] uma expressão para a veloci-
dade de desenrolamento que maximiza a potência instantânea gerada. No entanto,
uma potência média de ciclo mais elevada é obtida por uma velocidade de desenrola-
mento mais baixa, reduzindo a potência instantânea gerada e aumentando a duração
da fase de geração. Este resultado é obtido em [12] através de uma otimização it-
erativa de todo o ciclo de operação. Neste mesmo trabalho é proposto um sistema
de controle para manter o aerofólio em uma trajetória em lemniscata. Este trabalho
adapta a otimização proposta em [12] para uma otimização on-line que determina a
velocidade de desenrolamento e a elevação da trajetória em lemniscata ótimos. Ao
operar com uma otimização on-line, consegue-se adaptar a solução para diferentes
condições de vento e incorporar restrições físicas e de operação à solução encon-
trada.
Poucos trabalhos abordam em detalhes a geração de trajetória para a fase de recol-
himento do aerofólio. Diversos trabalhos, como [14] e [17], abordam indiretamente
este problema ao proporem um problema de otimização off-line para determinar uma
trajetória completa de voo. Estes trabalhos, no entanto, fornecem uma solução para
uma única condição de vento e empregam problemas de otimização muito complexos
para serem executados em tempo real. Uma segunda abordagem utilizada é definir
algumas características das referências utilizadas durante a fase de recolhimento. Em
[23], por exemplo, o aerofólio é controlado através da tração e de uma atuação de
escoamento de vento, que modifica as propriedades aerodinâmicas do aerofólio e é
comumente chamada de depower. Durante a fase de recolhimento, rampas de coe-
ficientes fixos são utilizadas e o valor final de tração é determinado através de uma
otimização iterativa ao longo de diversos ciclos de operação. Uma abordagem similar
é utilizada para otimizar a fase de recolhimento em [12], que dá continuidade ao tra-
balho apresentado em [28]. Neste caso as referências de tração e depower também
são limitadas a rampas, no entanto, as variáveis de decisão são os coeficientes das
rampas.
Neste trabalho é proposto o emprego de um controle preditivo não-linear baseado
em modelo (NMPC) com um critério econômico para aproximar a solução que otimiza
a potência média de ciclo. Já é encontrado frequentemente na literatura o uso de
NMPC para seguir trajetórias geradas off-line. Em contraste, neste trabalho propõe-se
uma função custo que pondera a potência instantânea gasta e a velocidade de recol-
himento a cada instante da trajetória. Esta função custo busca capturar o fator de
decisão instantâneo que qualquer algoritmo de geração de trajetória deve realizar. A
potência média de ciclo busca ser maximizada através de um breve estudo do efeito
resultante da variação dos pesos da função custo. Os resultados obtidos mostram
que a solução proposta atinge resultados similares à soluções off-line de otimização
sendo suficientemente simples para ser executada on-line. O emprego de um NMPC
permite a adição intuitiva de diversas restrições permitindo uma solução flexível e cus-
tomizável.
A principal contribuição deste trabalho é o projeto de um algoritmo de otimiza-
ção on-line para sistemas pumping-kite que apresenta bons resultados para diferentes
condições de vento e possibilita a incorporação de diversas restrições de operação.Airborne wind energy systems (AWES) represent a novel high-altitude wind power
harnessing technology in which the aerodynamic forces acting on suspended tethered
aircraft are employed to produce electricity. In the so-called pumping-kite mode, the
effects of such forces on the available aerodynamic surfaces are used to reel-out the
tether and drive a generator on the ground, which is known as the traction phase. After
a maximum tether length is reached the retraction phase takes place. During this part
of the operating cycle, the tether is reeled back in while spending a fraction of the
energy produced in the previous phase. In order to reduce the energy consumption
and provide a better overall performance for the whole system, the trajectory of the
aircraft must be carefully designed. This work proposes an on-line optimization strategy
to adapt the airfoil trajectory to the current wind conditions and system parameters
during both operation phases. The proposed algorithms, which were designed and
tuned targeting an optimal average cycle-power, and also take into account the mutual
influence of both phases of the pumping cycle, are shown to achieve performance
levels similar to those obtained by more conventional off-line optimization methods
while successfully complying with several operation and constructive constraints
Uma estratégia preditiva de gestão de energia em microrredes de energia renovável
Get PDFTCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.Este documento apresenta detalhadamente o processo de modelagem e
implementação de um controlador central de microrrede (Microgrid Central Controller
- MGCC) baseado em um algoritmo de controle preditivo híbrido e hierárquico.
Também se expõe uma breve abordagem dos aspectos teóricos de controle preditivo
e ferramentas de modelagem. O desenvolvimento do MGCC foi fundamentado em
controle preditivo baseado em modelo (Model Predictive Control - MPC) utilizando-se
a abordagem de MLD (Mixed Logical Dynamical) para trabalhar com restrições lógicas
dentro da estrutura do MPC, resultando em um problema de programação inteira mista
(Mixed Integer Programming - MIP). Esta estrutura hierárquica consiste em um nível
superior para otimização econômica e um nível inferior que busca seguir as
referências de potência provenientes do nível superior e garantir o balanço de carga
(load sharing). A construção da solução se dá pela modelagem econômica e dinâmica
dos componentes, bem como das regras de compensação energética do sistema
brasileiro de energia elétrica e a tarifa branca, que são especificadas como um
conjunto de restrições MLD. A efetividade e o desempenho desta solução,
desenvolvida em Matlab, é inicialmente avaliada por meio de simulação para posterior
implementação prática do MGCC em uma microrrede física que se encontra no
Laboratório de Microrredes Inteligentes da Universidade Federal de Santa Catarina.This document presents in detail the process of modeling and implementation
of a Microgrid Central Controller (MGCC) based on a hybrid and hierarchical predictive
control algorithm. It also presents a brief approach to the theoretical aspects of
predictive control and modeling frameworks. The development of MGCC was based
on Model Predictive Control (MPC) using the Mixed Logical Dynamics (MLD) approach
to deal with logical constraints within the MPC structure, resulting in a mixed integer
programming (MIP) problem. This hierarchical structure consists of a higher level for
economic optimization and a lower level that seeks to follow the power references from
the upper level and to guarantee the load balance (load sharing). The construction of
the solution occurs through the economic and dynamic modeling of the components,
as well as the energy compensation rules of the Brazilian electric power system and
the white tariff, which are specified with a set of MLD constraints. The effectiveness
and performance of this solution, developed in Matlab, is firstly evaluated by means of
simulation for later practical implementation of the MGCC in a physical microgrid that
is in the Laboratory of Intelligent Microgrids of the Federal University of Santa Catarina
Aplicação de técnicas de controle preditivo em sistemas de energia renovável
No full textDivulgação comunidade (PIBIC) - Universidade Federal de Santa Catarina. CTC. Engenharia de Controle e AutomaçãoDesenvolvimento de técnicas de gerenciamento de microrredes híbridas
para gestão de carga empregando métricas de qualidade de experiência; desenvolvimento de estratégias de controle preditivo baseado em modelo; implementação e validação dos algoritmos desenvolvidos via simulação
Identificação e Emulação de Campos Solares
Get PDFTCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.A crescente demanda energética mundial associada ao ideal cada vez mais sustentável
proporciona um cenário de grande desenvolvimento no setor das energias limpas. Para
contribuir com esse desenvolvimento, foi criado no Departamento de Automação e Sistemas
(DAS) da Universidade Federal de Santa Catarina o Grupo de Pesquisa em Energias
Renováveis (GPER), que é o local onde foi desenvolvido o trabalho apresentado neste
documento. Esse trabalho em específico é relacionado à energia heliotérmica, que produz
baixíssimo impacto ambiental. Essa fonte de energia consiste em transformar energia
radiante (irradiação) em energia térmica, a qual posteriormente pode ser utilizada para
produção de energia elétrica. O princípio de funcionamento é absorver o máximo da
irradiação solar usando equipamentos adequados e converter a irradiação solar em aumento
da temperatura do fluído que circula pelo sistema. O GPER atua em pesquisas relacionadas
ao controle de temperatura desse fluido, portanto optou-se por construir uma planta piloto
nas dependências do DAS para se realizar estudos de controle. Como o espaço para
construção é reduzido, foi pensado em uma estratégia para que a planta piloto emulasse um
sistema de grande porte. Dessa forma, o trabalho apresentado nesse documento destina-se
a desenvolver o sistema de emulação de campos solares de grande porte. Ao longo do
documento serão apresentados os procedimentos de identificação e emulação do campo
solar, bem como as melhorias realizadas na planta piloto e as adaptações realizadas.The growing global energy demand coupled with the increasingly sustainable ideal provides
a major development landscape in the clean energy sector. To contribute to this develop-
ment, the Renewable Energy Research Group (GPER) was created in the Department
of Automation and Systems (DAS) of the Federal University of Santa Catarina, where
this work was developed. This work is related to the heliothermic energy, that produces
a very low environmental impact. This energy source consists of transforming radiant
energy (irradiation) into thermal energy, which can later be used to produce electricity.
The principle of operation is to absorb the maximum of the solar irradiation using suitable
equipment and to convert that irradiation in increase of the temperature of the fluid that
circulates by the system. The GPER acts in research related to the temperature control of
this fluid, so it was decided to build a pilot plant in the premises of the DAS to carry out
control studies. As the space for construction is reduced, it was thought of a strategy for
the pilot plant to emulate a large system. In this way, the work presented in this document
is intended to develop the emulation system of large solar fields. Throughout the document
will be presented the procedures of solar fields identification and emulation, as well as the
proposed improvements in the pilot plant
Técnicas de CBPM para sistemas LPV
No full textIniciação Científica - Universidade Federal de Santa Catarina. CTC. Engenharia de Controle e Automação.O tema escolhido para o projeto atual tem sido foco de atenção crescente dos pesquisadores. Apesar de CPBM ser uma família de técnicas bem consolidada dentro da comunidade de Controle, ainda há questões a serem resolvidas, problemas em aberto e espaços para construção. Um ponto, em meio a tantos outros, é a validade de métodos para sistemas não-lineares, especialmente quando são exigidas especificações de tempo-real. Portanto, desde os anos 1990, depois da formulação formal de controladores de ganho escalonado (do inglês gain-scheduling), essas técnicas começaram a ser adaptadas para o problema do Controle Preditivo. Em especial, abordagens baseadas em sistemas lineares a parâmetros variantes podem ser empregadas com êxito e este trabalho apresenta algumas formulações
Sintonia Automática de Controladores com Compensação de Atraso
Get PDFTCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.O atraso de transporte é uma parte fundamental em muitos processos industriais. Estruturas de controle com compensação do atraso possuem uma melhor performance que a obtida com controladores do tipo PI ou PID. Neste projeto se desenvolveu um sistema de sintonia automática que identifica e controla sistemas com atraso, o qual pode ser usado com o processo em pleno funcionamento, e sem a necessidade do operador possuir conhecimentos avançados em controle. A estrutura de controle usada foi a do preditor de Smith filtrado, a qual apresentou compromisso entre performance e robustez. A identificação é realizada através do método dos mínimos quadrados discreto. O sistema supervisório, através de dados de entrada, saída e índices de desempenho, faz a coordenação entre a identificação, validação e teste de qualidade, melhorando o modelo e o controle do processo. Ao final foram realizadas diversas simulações para comprovar a eficácia do sistema em diferentes dinâmicas e testar os possíveis cenários.The time delay is a fundamental part of many industrial processes. Control structures with dead time compensation present higher performance than those achieved with PI or PID controllers. This project has developed an automatic tuning system that identifies and controls dead time processes, which can be used with running processes, and does not need an user with advanced knowledge in process control. The control structure selected was the filtered Smith predictor, which presents compromise between performance and robustness. The identification uses the discrete least square method . The supervisory system with data input, output and performance indices, coordinates the identification, validation and quality tests, improving the model and process control. Several simulations were performed to demonstrate the effectiveness of the system in different dynamics and possibles scenarios
Controle Latero-Direcional de uma Aeronave Utilizando Técnicas de Controle Avançado
Get PDFTCC(graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnológico. Engenharia de Controle e Automação.O trabalho em questão apresenta uma comparação entre duas técnicas de controle avançado
que visam controlar os movimentos de rolamento e guinada de uma aeronave. Embora
apresentem suas peculiaridades, ambas estratégias seguem uma metodologia de projeto
bem definida: modelagem do processo, identificação de requisitos, definição da estrutura
de controle, cálculo dos controladores e análise tanto de robustez quanto de performance
do sistema. A primeira técnica, amplamente difundida na indústria aeronáutica, emprega
uma variação do Regulador Linear Quadrático (LQR) com ajuste de Zeros de Transmissão
para o cálculo dos ganhos de realimentação, enquanto a outra utiliza o Controle Preditivo
Baseado em Modelo. Tomando por base um avião da classe executiva, realiza-se o contraste
em diversos pontos de operação, utilizando sempre a abordagem no domínio linear. Por
fim, os resultados são discutidos com base em critérios das melhores práticas do setor
aeronáutico e em quesitos referentes à implementação de cada estratégia retratada.This works presents a comparison between two advanced control techniques that aim
to control the movements of Roll and Yaw of an aircraft. Although they present their
peculiarities, both strategies follow a well-defined design methodology: process modeling,
requirements specification, definition of control law structure, controllers synthesis and
analysis of robustness and performance. The first technique, widely used in the aeronautics
industry, employs a variation of the Linear-Quadratic Regulator (LQR) with Transmission
Zeros adjustment for the feedback gains calculation, while the other uses the Model
Predictive Control. Based on an business aircraft, the comparison is performed at several
operation points, always using the linear domain approach. Finally, the results are discussed
based on best practices criteria of the aeronautical sector and in questions related to the
implementation of each strategy
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