https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/75141 2026-10-14T17:33:44Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/276927 Metodologia de sintonia de estabilizadores de sistemas de potência multibanda para mitigação de oscilações de baixa frequência em unidades geradoras Lopes, Artur Nunes Pires Este trabalho aborda a problemática da estabilidade eletromecânica em sistemas de potência modernos, com ênfase na sintonização de estabilizadores de sistema de potência multi-banda (PSS4) aplicados a unidades geradoras síncronas de grande porte. A crescente complexidade das redes elétricas interconectadas, aliada à presença de oscilações eletromecânicas em uma ampla faixa de frequências, impõe desafios adicionais à atuação dos sistemas de excitação e dos estabilizadores convencionais de banda única. Em particular, o sistema elétrico colombiano apresenta oscilações recorrentes de frequência extremamente baixa, na faixa de 0,02 a 0,05~Hz, que comprometem a regulação de tensão quando metodologias tradicionais de sintonização são aplicadas. Inicialmente, é apresentada uma revisão dos fundamentos de estabilidade a pequenas perturbações, destacando a influência do sistema de excitação e do estabilizador de sistema de potência no amortecimento dos modos eletromecânicos. São discutidas as características dos estabilizadores de banda única (PSS2C) e dos estabilizadores multi-banda (PSS4C), conforme os modelos padronizados pela IEEE. Em seguida, são analisadas as limitações das metodologias clássicas de parametrização do PSS4, baseadas predominantemente em critérios de compensação de fase, quando aplicadas a sistemas com modos de oscilação de frequência ultra baixa. Como principal contribuição, neste trabalho é proposta uma metodologia de otimização para a sintonização do PSS4 que considera simultaneamente critérios de fase e magnitude da resposta em frequência do sistema, permitindo reduzir a atuação do estabilizador em frequências muito baixas e reforçar o amortecimento nas frequências associadas aos modos de oscilação locais das unidades geradoras. A metodologia é aplicada a duas unidades geradoras localizadas na Colômbia, cuja potência combinada representa parcela significativa da capacidade instalada do país. Os resultados são avaliados por meio de simulações dinâmicas em domínio da frequência e do tempo, seguindo os critérios estabelecidos pelo código de rede colombiano, e complementados por ensaios de campo realizados nas unidades. Os resultados demonstram que a metodologia proposta é capaz de mitigar oscilações eletromecânicas sem introduzir oscilações indesejadas na tensão terminal, atendendo simultaneamente aos requisitos de estabilidade e de qualidade de tensão. A abordagem desenvolvida apresenta potencial de generalização para outros sistemas elétricos que enfrentam desafios semelhantes, contribuindo para a operação segura e confiável de sistemas de potência modernos.; This work addresses the problem of electromechanical stability in modern power systems, with emphasis on the tuning of multi-band power system stabilizers (PSS4) applied to large synchronous generating units. The increasing complexity of interconnected power networks, combined with the presence of electromechanical oscillations over a wide frequency range, poses additional challenges to excitation systems and conventional single-band stabilizers. In particular, the Colombian power system exhibits recurring ultra-low-frequency oscillations, in the range of 0.02 to 0.05~Hz, which may adversely affect terminal voltage regulation when traditional tuning methodologies are employed. Initially, a review of small-signal stability fundamentals is presented, highlighting the role of excitation systems and power system stabilizers in damping electromechanical modes. The characteristics of single-band stabilizers (PSS2C) and multi-band stabilizers (PSS4C), as standardized by IEEE models, are discussed. The limitations of classical PSS4 tuning approaches, mainly based on phase compensation criteria, are then analyzed, especially when applied to systems dominated by very low-frequency oscillatory modes. As the main contribution, this work proposes an optimization-based methodology for PSS4 tuning that simultaneously considers phase and magnitude criteria of the system frequency response. This approach allows reducing the stabilizer action at very low frequencies while enhancing damping at frequencies associated with local oscillation modes of the generating units. The proposed methodology is applied to two generating units located in Colombia, whose combined capacity represents a significant share of the national installed generation. The results are evaluated through frequency- and time-domain dynamic simulations in accordance with the Colombian grid code requirements and are complemented by field tests performed on the units. The results demonstrate that the proposed methodology effectively mitigates electromechanical oscillations without introducing undesirable terminal voltage oscillations, meeting both stability and voltage quality requirements. The developed approach shows potential for generalization to other power systems facing similar challenges, contributing to the secure and reliable operation of modern power systems. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/276890 Avaliação do potencial de otimização técnico-econômica de usinas fotovoltaicas por meio de recobrimentos de alta refletividade: ganhos energéticos, potencial econômico e desafios de implementação no contexto brasileiro Braga, Marília Esta tese avalia o potencial técnico-econômico da aplicação de recobrimentos de alta refletividade em sistemas fotovoltaicos (FV) bifaciais com rastreamento de eixo único no Brasil. A pesquisa combina caracterização experimental em planta piloto, validação de modelo de simulação energética, mapeamento dos ganhos energéticos e dos custos máximos admissíveis do material nos contextos de geração distribuída (GD) e geração centralizada (GC), além de um estudo de caso detalhado para uma usina FV de grande porte. Na etapa experimental, quatro recobrimentos foram avaliados na planta piloto do Laboratório Fotovoltaica/UFSC, em Florianópolis-SC, utilizando como referência um sistema instalado sobre bica corrida, superfície cujo albedo é representativo de condições frequentemente observadas em usinas FV brasileiras. Os recobrimentos apresentaram albedos substancialmente superiores ao da referência: enquanto a bica corrida apresentou albedo médio em torno de 25%, os filmes refletivos atingiram valores entre 53% e 58%, e a geomembrana branca apresentou albedo da ordem de 72%. Esse aumento de refletividade elevou a razão entre irradiação posterior e frontal dos módulos de aproximadamente 7,6% no sistema de referência para valores entre 19,8% e 23,1% nos sistemas com recobrimentos, resultando em ganhos médios de geração entre 8,8% e 11,3%, com maior desempenho para a geomembrana. Os efeitos térmicos associados ao aumento da irradiância foram pequenos frente aos ganhos obtidos, enquanto a sujidade e os aspectos de instalação mostraram-se variáveis relevantes para a aplicação em escala. A validação do modelo de simulação indicou representação adequada do ganho médio anual da geomembrana, com erro de apenas 0,7%abs na abordagem que melhor contornou as especificidades do piloto, embora tenham sido observadas limitações na reprodução da variabilidade temporal do ganho. No mapeamento do potencial, os ganhos simulados variaram entre 5,4% e 7,6% nas capitais brasileiras, analisadas no contexto da GD, com custos máximos admissíveis entre 10,63 R$/m² e 15,06 R$/m². Para clusters de usinas de GC, os ganhos variaram entre 4,7% e 6,9%, com custos máximos admissíveis entre 7,21 R$/m² e 11,16 R$/m². No estudo de caso em usina FV de grande porte, o recobrimento parcial apresentou maior robustez econômica, com custos máximos admissíveis superiores aos do recobrimento integral: de 11,63 R$/m² para módulos PERC a 16,69 R$/m² para HJT no cenário com 30% de recobrimento, e de 7,76 R$/m² a 11,88 R$/m² no cenário com 100%. Entretanto, quando o custo instalado fica abaixo do limite admissível para o recobrimento integral, o cenário com 100% passa a ser mais vantajoso, devido aos maiores ganhos absolutos de energia e LCOE. Os resultados também mostram que a atratividade da geomembrana aumenta com tecnologias de maior eficiência e bifacialidade, especialmente HJT, enquanto TOPCon e xBC apresentaram valores intermediários. Os valores encontrados são compatíveis com faixas reportadas na literatura científica e técnica, embora a comparação ainda seja limitada por incertezas sobre instalação, manutenção, durabilidade e estabilidade óptica dos materiais. De forma geral, os resultados demonstram que recobrimentos de alta refletividade podem aumentar significativamente a produtividade de sistemas fotovoltaicos bifaciais no Brasil, mas sua atratividade técnico-econômica depende de condições específicas de projeto, custo instalado, tecnologia dos módulos, dimensionamento elétrico, estabilidade óptica, operação, manutenção, drenagem e condicionantes ambientais.; Abstract: This thesis evaluates the techno-economic potential of applying high-reflectivity ground covers in bifacial photovoltaic (PV) systems with single-axis tracking in Brazil. The research combines experimental characterization in a pilot plant, validation of an energy simulation model, mapping of energy gains and maximum material costs in the contexts of distributed generation (DG) and utility-scale generation, and a detailed case study for a large-scale PV power plant. In the experimental stage, four ground covers were evaluated at the Fotovoltaica/UFSC pilot plant in Florianópolis-SC, using a system installed over gray gravel as reference, a surface whose albedo is representative of conditions frequently observed in Brazilian PV power plants. The ground covers showed substantially higher albedos than the reference surface: while gray gravel presented an average albedo of approximately 25%, the reflective films reached values between 53% and 58%, and the white geomembrane presented an albedo of approximately 72%. This increase in reflectivity raised the rear-to-front irradiation ratio of the modules from approximately 7.6% in the reference system to values between 19.8% and 23.1% in the systems with ground covers, resulting in average energy gains between 8.8% and 11.3%, with the best performance observed for the geomembrane. The thermal effects associated with the increased irradiance were small compared with the energy gains obtained, while soiling and installation aspects proved to be relevant variables for large-scale applications. The validation of the simulation model indicated an adequate representation of the annual average gain provided by the geomembrane, with an error of only +0.7%abs in the approach that best accounted for the specific characteristics of the pilot plant, although limitations were observed in reproducing the temporal variability of the gain. In the mapping of the potential of high reflectivity materials, the simulated gains ranged from 5.4% to 7.6% in Brazilian state capitals, analyzed in the context of DG, with maximum allowable costs between 10.63 BRL/m² and 15.06 BRL/m². For utility-scale PV plant clusters, gains ranged from 4.7% to 6.9%, with maximum allowable costs between 7.21 BRL/m² and 11.16 BRL/m². In the case study of a large-scale PV power plant, the techno-economic analysis indicated that partial ground coverage allowed for higher maximum allowable geomembrane costs than full coverage. For 30% coverage, the limits ranged from 11.63 BRL/m² for p-type PERC modules to 16.69 BRL/m² for n-type HJT modules; for 100% coverage, they ranged from 7.76 BRL/m² to 11.88 BRL/m². Still, when the installed cost is below the full-coverage threshold, 100% coverage becomes more advantageous, resulting in larger energy and LCOE benefits. The n-type TOPCon and xBC technologies presented intermediate values. These results show that the attractiveness of the geomembrane increases with technologies of higher efficiency and bifaciality, especially in the case of HJT. The values obtained are compatible with ranges reported in the scientific and technical literature, although direct comparison is still limited by uncertainties regarding installation, maintenance, durability, and optical stability of the materials. Overall, the results demonstrate that high-reflectivity ground covers can significantly increase the productivity of bifacial PV systems in Brazil, but their techno-economic attractiveness depends on specific design conditions, installed cost, module technology, electrical sizing, optical stability, operation, maintenance, drainage, and environmental constraints. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/276794 Proposta unificada para estimação de movimento e estado energético em sistemas embarcados alimentados por bateria Silva, Raphael Diego Comesanha e O Filtro de Kalman Estendido (EKF - Extended Kalman Filter) é amplamente empregado para estimativa de atitude utilizando Unidades de Medida Magnéticas e Inerciais (MIMU - Magnetic and Inertial Measurement Units) em sistemas de sensoriamento alimentados por bateria. Nessas aplicações, a disponibilidade energética influencia a operação do sistema, contudo, informações sobre o estado da bateria são geralmente tratadas por mecanismos supervisórios externos, em vez de serem integradas ao processo de estimação. Este trabalho apresenta uma formulação baseada em EKF, na qual o Estado de Carga (SOC - State of Charge) da bateria é explicitamente incluído como uma variável de estado, permitindo a estimação conjunta da atitude e do estado energético em uma única estrutura de filtragem. A dinâmica do SOC é modelada por meio de um estimador de baixa complexidade baseado em medições de tensão e corrente de terminal, enquanto a estimativa de atitude é realizada utilizando um Filtro de Kalman Estendido Simplificado (SEKF - Simplified Extended Kalman Filter) adaptado para aplicações embarcadas baseadas em MIMU. A abordagem proposta foi avaliada por meio de simulações numéricas sob perfis de carga constante e variável no tempo, representativos de dispositivos eletrônicos de baixa potência. Os resultados indicam que a inclusão da estimação de SOC não afeta o desempenho da estimativa de atitude do SEKF original, enquanto os erros de estimação do SOC permanecem em torno de 10% na maioria das condições de carga avaliadas, para consumo de potência de aproximadamente 0,1 W, consistente com plataformas eletrônicas vestíveis e autônomas de pequeno porte. Considerando as limitações da implementação em ambiente computacional, ao incorporar a estimativa do estado energético diretamente na estrutura de filtragem, em vez de tratá-la como uma tarefa supervisória externa, a formulação proposta oferece uma abordagem de estimação unificada adequada para sistemas embarcados baseados em MIMU com recursos computacionais e energéticos limitados.; Abstract: Extended Kalman Filters (EKFs) are widely employed for attitude estimation using Magnetic and Inertial Measurement Units (MIMUs) in battery-powered sensing systems. In such applications, energy availability influences system operation, yet battery state information is commonly treated by external supervisory mechanisms rather than being integrated into the estimation process. This work presents an EKF-based formulation in which the battery State of Charge (SOC) is explicitly included as a state variable, allowing joint estimation of attitude and energy state within a single filtering framework. SOC dynamics are modeled using a low-complexity estimator based on terminal voltage and current measurements, while attitude estimation is performed using a Simplified Extended Kalman Filter (SEKF) tailored for embedded MIMU-based applications. The proposed approach was evaluated through numerical simulations under constant and time-varying load profiles representative of low-power electronic devices. The results indicate that the inclusion of SOC estimation does not affect the attitude estimation performance of the original SEKF, while SOC estimation errors remain below 10% in most of the evaluated load conditions for a power consumption of approximately 0.1 W, consistent with wearable and small autonomous electronic platforms. By incorporating energy state estimation directly into the filtering structure, rather than treating it as an external supervisory task, the proposed formulation offers a unified estimation approach suitable for embedded MIMU-based systems with limited computational and energy resources. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/276725 Metodologia sistemática de seleção de métodos e atributos multidomínio para classificação de padrões de escoamento bifásico com sensores ópticos NIR multicomprimento de onda Martins, Thiago A classificação de padrões de escoamento bifásico gás?líquido é essencial para o monitoramento, a análise e a operação segura de sistemas industriais. Abordagens baseadas em aprendizado de máquina têm sido empregadas para automatizar essa tarefa, mas muitos estudos ainda analisam separadamente a tecnologia de sensoriamento, a extração de atributos dos sinais e a escolha do classificador. No caso de sensores ópticos no infravermelho próximo, ainda é limitada a avaliação sistemática de comprimentos de onda discretos, atributos extraídos em diferentes domínios e métodos de seleção ou redução de características. Essa lacuna é especialmente relevante quando se busca combinar alta acurácia de classificação com modelos de menor complexidade, isto é, capazes de operar com conjuntos reduzidos de atributos e com potencial de aplicação em soluções dedicadas de instrumentação digital. Esta tese propõe e valida uma metodologia sistemática para a classificação de padrões de escoamento bifásico horizontal ar?água a partir de sinais ópticos obtidos por sensores colimados no infravermelho próximo. Foram avaliados três comprimentos de onda, 850 nm, 980 nm e 1310 nm, selecionados por apresentarem diferentes sensibilidades à interface gás?líquido e à presença da fase líquida no caminho óptico. A metodologia proposta, denominada Multi-Feature Multi-Domain, organiza a análise de forma integrada, considerando a contribuição individual e combinada dos sensores, a extração de atributos nos domínios do tempo, da frequência e do tempo?frequência, a aplicação de métodos de redução ou seleção de características e a avaliação de classificadores supervisionados. Os atributos foram extraídos por meio de descritores estatísticos no domínio do tempo, descritores espectrais baseados na densidade espectral de potência e descritores tempo?frequência obtidos pela transformada discreta de wavelet. Esses conjuntos foram avaliados por análise de componentes principais (PCA), análise discriminante linear (LDA) e eliminação recursiva de características (RFE), sendo posteriormente classificados por máquina de vetores de suporte (SVM), k-vizinhos mais próximos (kNN), Random Forest e redes neurais artificiais. Os resultados mostraram que os três comprimentos de onda fornecem respostas físicas complementares aos padrões de escoamento e que a fusão multicomprimento de onda discreto melhora a separação entre regimes em diferentes configurações. A melhor configuração baseada em análise de componentes principais atingiu 97,67% de acurácia com atributos estatísticos do sensor de 980 nm. Com análise discriminante linear, a combinação de atributos wavelet dos três sensores atingiu 99,31% de acurácia. A eliminação recursiva de características apresentou os resultados mais expressivos, alcançando 99,48% de acurácia com apenas sete atributos espectrais dos três sensores, 99,83% com cinco atributos multidomínio do sensor de 1310 nm e 100% de acurácia quando todos os sensores e domínios de atributos foram combinados. A partir desses resultados, foi proposta a diretriz Optimal Feature and Method Selection, que organiza diferentes rotas de escolha conforme o objetivo da aplicação, seja a máxima acurácia, seja a redução do número de atributos e da complexidade do modelo. A principal contribuição da tese é a consolidação de uma abordagem integrada para seleção de sensores, atributos e classificadores em sistemas ópticos discretos no infravermelho próximo. A metodologia proposta fornece suporte ao desenvolvimento de soluções de instrumentação para monitoramento automático de escoamentos bifásicos, com processamento seletivo e potencial de aplicação em sistemas dedicados de medição e monitoramento.; Abstract: The classification of gas?liquid two-phase flow patterns is essential for monitoring, analysis, and safe operation of industrial systems. Machine learning-based approaches have been used to automate this task, but many studies still analyze sensing technology, signal feature extraction, and classifier selection separately. In the case of near-infrared optical sensors, the systematic evaluation of discrete wavelengths, features extracted from different domains, and feature selection or dimensionality reduction methods remains limited. This gap is especially relevant when aiming to combine high classification accuracy with lower-complexity models, that is, models capable of operating with reduced feature sets and with potential application in dedicated digital instrumentation solutions. This thesis proposes and validates a systematic methodology for classifying horizontal air?water two-phase flow patterns from optical signals obtained by collimated near-infrared sensors. Three wavelengths were evaluated, 850 nm, 980 nm, and 1310 nm, selected because they provide different sensitivities to the gas?liquid interface and to the presence of the liquid phase in the optical path. The proposed methodology, named Multi-Feature Multi-Domain, organizes the analysis in an integrated way, considering the individual and combined contribution of the sensors, feature extraction in the time, frequency, and time?frequency domains, the application of feature selection or dimensionality reduction methods, and the evaluation of supervised classifiers. Features were extracted using statistical descriptors in the time domain, spectral descriptors based on power spectral density, and time?frequency descriptors obtained from the discrete wavelet transform. These feature sets were evaluated using principal component analysis (PCA), linear discriminant analysis (LDA), and recursive feature elimination (RFE), and subsequently classified using support vector machine (SVM), k-nearest neighbors (kNN), Random Forest, and artificial neural networks. The results showed that the three wavelengths provide complementary physical responses to the flow patterns and that discrete multi-wavelength fusion improves regime separation in different configurations. The best configuration based on principal component analysis achieved 97.67% accuracy using statistical features from the 980 nm sensor. With linear discriminant analysis, the combination of wavelet features from the three sensors achieved 99.31% accuracy. Recursive feature elimination provided the most expressive results, reaching 99.48% accuracy with only seven spectral features from the three sensors, 99.83% with five multi-domain features from the 1310 nm sensor, and 100% accuracy when all sensors and feature domains were combined. Based on these results, the Optimal Feature and Method Selection guideline was proposed, organizing different selection routes according to the application objective, whether maximum accuracy or reduction in the number of features and model complexity. The main contribution of this thesis is the consolidation of an integrated approach for selecting sensors, features, and classifiers in discrete near-infrared optical systems. The proposed methodology supports the development of instrumentation solutions for automatic two-phase flow monitoring, with selective processing and potential application in dedicated systems. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z