Power and Energy Commons^™

Power Inductors: Design, Modeling And Analysis, Subash Pokharel

Electronic Theses and Dissertations, 2020-

Power inductors, or reactors as they are called in the power industry, are one of the fundamental components of a power system. They serve various purposes in both conventional and emerging power systems including: power flow control, fault current limitation, reactive power compensation, harmonic filtering, and others. This dissertation explores the design and applications of conventional power inductors and ways to overcome their shortcomings and expand their functionalities. In addition, novel inductor designs are proposed and analyzed to address power system challenges. A series of inductors, including traditional constant reactance inductor, gapless ferromagnetic core reactor (GFCR) (both costant and variable …

Intrinsically Mode Reconfigurable Load Modulation Balanced Amplifier Leveraging Transistor's Analog-Digital Duality, Niteesh Bharadwaj Vangipurapu

Electronic Theses and Dissertations, 2020-

The communication schemes have rapidly changed the face of the human means of communication. The evolution from one generation to another has triggered many challenges on the design methodologies of RF designers. As the evolution ensued, the spectrally efficient modulation schemes have resulted in the substantial rise of PAPR, the peak-to-average power ratio. To enable the efficient amplification of the high PAPR signals, this thesis explores the areas of Load modulated Balanced amplifiers that can be inherently reconfigured to achieve a better efficiency than the conventional RF power amplifiers that see a significant drop in the efficiency as the signal …

Modeling, Simulation, And Hardware-In-The-Loop Implementation Of Distributed Voltage Control In Power Systems With Renewable Energy Sources, Ali Dehghan Banadaki

Graduate Theses, Dissertations, and Problem Reports

This dissertation develops and analyzes distributed controllers for power systems with renewable energy sources. A comprehensive state space modeling of voltage source inverters (VSIs) is developed specifically to address the secondary voltage control. This model can be used for simulation and control design. Unlike frequency, voltage is a local phenomenon, meaning that it cannot be controlled from a far distance. Therefore, a voltage zoning matrix that relates the sensitivity of the loads to the sources is proposed. The secondary voltage control is designed by applying the eigenvalue decomposition of the voltage zoning matrix to obtain the reference generators voltages. The …

Power Decoupling Control And Optimization For A Photovoltaic Inverter In D-Q Rotation Frame, Zhaoxia Yang

All Graduate Theses, Dissertations, and Other Capstone Projects

In the past decade, solar energy, the fastest growing renewable energy, has been a growing interest in integration to the utility grid. Power electronics converters play important role in renewable energy integration, e.g., integrate the distributed photovoltaic (PV) panels to the grid. In many applications, particularly in the residential area, a single-phase rather than three-phase inverter is used to regulate the voltage from one form to the other while tracking the maximum power point of the PV system. The input voltage and current are DC and its maximum power is desired to be a constant value. However, in the single-phase …

Implementation And Usage Of Low-Cost Turbines For Power Generation In Water Networks, Luis Javier Ortiz Osornio

All Graduate Theses, Dissertations, and Other Capstone Projects

The following APP is part of an investigation and development, carried out to design, and implement a hydroelectric turbine of horizontal axis, in order to generate electrical energy in rural areas, utilizing existing infrastructure or natural waterways such as irrigation canals, piping, rivers and streams. Every industrialized country, as well as, most of the developing nations, have a stake in agriculture and thus access to the infrastructure required for irrigation purposes. Artificial irrigation canals offer advantages such as a clean continuous flow, with the possibility of flow regulation: this together with their vast availability as agricultural infrastructure constitute the main …

A Soft-Switched Three-Port Dc-Dc Converter For A Pv/ Battery System, Mohamedelfatih Dosa

All Graduate Theses, Dissertations, and Other Capstone Projects

This thesis proposed a soft-switched three-port bidirectional DC-DC converter for managing the power flow of a photovoltaic (PV) and battery system. The proposed converter consists of three ports connected to a PV panel, battery, and load. These three ports are interfaced through the high-frequency transformer and use phase-shift control to achieve soft-switching for all converter switches. Compared with the traditional multiport converters, the proposed three-port converter uses the least number of power switches, and zero-voltage switching (ZVS). Simulation and experimental results validate the design and effectiveness of soft switching and power flow control. The converter can work in different scenarios …

Modeling Of Inverter-Based Microgrid For Small-Signal And Large-Signal Stability Analysis, Vishal Verma

Graduate Theses, Dissertations, and Problem Reports

Integration of inverter-based resources (IBRs) such as solar photovoltaic, wind, and battery storage, is both a boon and a bane for electric power systems. On one hand, IBRs have helped in making electrical energy a clean (carbon-free) source of energy. On other hand, the dynamics of IBRs have changed the way power system studies have been carried out. With the advantages IBRs offer over conventional resources, it is assumed that a small distribution power system (microgrid) will have a 100% IBRs penetration in the future. Such a microgrid can operate in grid-connected mode or in an islanded mode. Both modes …

Autonomous Wildfire Detection System, Matthew Pyle, Nick Garrett

Williams Honors College, Honors Research Projects

According to the National Fire Protection Association Journal, federal wildfire suppression costs in the United States have risen from an annual average of about $425 million from 1985 to 1999 up to $1.6 billion from 2000 to 2019. On average, more than 200,000 acres in the United States are burned per year due to wildfires, with more than 700,000 acres burned in 2020 alone. With the risk of wildfire ever rising, there is a need for better early detection of remote wildfires, as existing methods often include long delays like satellites or rely on human lookout towers. The objective is …

Smart Kettlebell, Cole Russell, Patrick Davis, Ryan Deboer, Isaac Stecker

Williams Honors College, Honors Research Projects

The purpose of design team 08’s senior design project is to create and implement a workout device that will be able to calculate the caloric expenditure, repetitions, and length of a workout. Once the duration of a workout is completed, the user metrics will be communicated from the kettlebell system to a user application via Bluetooth. The caloric expenditure will be used using the data that is provided from the accelerometer. The duration of the workout will be controlled using a push button that is connected to the kettlebell system that will allow for the start and stop of a …

การวิเคราะห์ฉากทัศน์สำหรับศักยภาพชีวมวลของการผลิตไฟฟ้าจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรในประเทศไทย, ธัญชนก เชิดชู

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์ฉากทัศน์ศักยภาพชีวมวลของการผลิตไฟฟ้าจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรในประเทศไทย ภายใต้การวิเคราะห์ปัจจัยที่ทำให้เกิดผลกระทบและปัจจัยที่มีแนวโน้มที่จะมีการเปลี่ยนแปลง โดยการวิเคราะห์ได้ใช้เครื่องมือในการประเมินปัจจัยภายนอกต่างๆ ด้วยการวิเคราะห์ STEEP Analysis และทำการจัดลำดับปัจจัยเพื่อพิจารณาเลือกสถานการณ์ ที่ถูกกำหนดด้วยปัจจัยที่ทำให้เกิดผลกระทบและปัจจัยที่มีแนวโน้มที่จะมีการเปลี่ยนแปลงมากที่สุด พบว่าปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดผลกระทบ (Impact) และมีแนวโน้มที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลง (Uncertainty) ต่อฉากทัศนศักยภาพชีวมวลของการผลิตไฟฟ้าจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรในประเทศไทย ได้แก่ ปัจจัยด้านการสนับสนุนนโยบายจากภาครัฐ เช่น อัตรารับซื้อไฟฟ้าจากชีวมวลในรูปแบบ Feed-in Tariff และปัจจัยด้านต้นทุนการผลิตไฟฟ้า เช่น ต้นทุนค่าเชื้อเพลิงชีวมวล ต้นทุนค่าการสร้างและค่าใช้จ่ายในการดำเนินการ ทั้งนี้ ได้กำหนดตัวชี้วัดสำหรับการติดตามและตรวจสอบสถานการณ์ ซึ่งเป็นปัจจัยเชิงปริมาณ ได้แก่ การวิเคราะห์ศักยภาพชีวมวลของการผลิตไฟฟ้าจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร และการวิเคราะห์ต้นทุนส่วนเพิ่มในการลดก๊าซเรือนกระจก (Marginal Abatement Cost : MAC) เพื่อสะท้อนให้เห็นถึงการวิเคราะห์ศักยภาพเชิงปริมาณในแต่ละสถานการณ์ภายใต้เงื่อนไขของปัจจัยขับคลื่อน โดยได้แบ่งออกเป็น 3 สถานการณ์ ซึ่งพบว่า ศักยภาพชีวมวลของการผลิตไฟฟ้าจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร มากที่สุด 38,376 เมกะวัตต์ รองลงมา ได้แก่ 24,940 เมกะวัตต์ และ 10,596 เมกะวัตต์ ตามลำดับ ในส่วนของการวิเคราะห์ต้นทุนส่วนเพิ่มในการลดก๊าซเรือนกระจก อยู่ระหว่าง -980 ถึง 131 บาท/ตันคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่า

การประยุกต์ฮีทไปป์แบบแบนเพื่อใช้ระบายความร้อนจากแผงโซล่าร์เซลล์, ยศพล เกื้อชาติ

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาเกี่ยวกับการประยุกต์ฮีทไปป์แบบแบนเพื่อใช้ระบายความร้อนจากแผงโซล่าร์เซลล์ โดยแผงโซล่าร์เซลล์ที่ใช้เป็นแบบอะมอฟัส (ฟิล์มบาง) ขนาดยาว 1.25 เมตร และกว้าง 1 เมตร พิกัดกำลังไฟฟ้า 140 วัตต์ ทดสอบที่อุณหภูมิมาตรฐาน 25 องศาเซลเซียส จนกระทั่งเมื่อนำแผงโซล่าร์เซลล์ไปใช้งานจริงจะเกิดความร้อนสะสมทำให้แผงโซล่าร์เซลล์มีอุณหภูมิสูงขึ้น ส่งผลให้กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ลดลง จึงเป็นเหตุให้ผู้วิจัยได้ทำการศึกษาในครั้งนี้เพื่อต้องการลดอุณหภูมิแผง และเพิ่มการผลิตกำลังไฟฟ้าให้สูงขึ้น โดยได้ทำการทดลองเปรียบเทียบ แผงโซล่าร์เซลล์แบบปกติกับแผงโซล่าร์เซลล์ที่ติดตั้งฮีทไปป์แบบแบน ซึ่งท่อฮีทไปป์เป็นท่อทองแดงภายในท่อบรรจุวิกแบบเกลียวทำหน้าที่ดูดของเหลวทำงานจากส่วนควบแน่นกลับไปยังส่วนระเหย โดยติดตั้งทั้งหมดจำนวน 7 ท่อ แต่ละท่อประกอบด้วยท่อแบนส่วนระเหย ต่อเชื่อมกับ ท่อกลมส่วนควบแน่น มีน้ำกลั่นบรรจุอยู่ภายในท่อ ท่อแบนส่วนระเหยจะยึดติดกับด้านหลังของแผงโซล่าร์เซลล์ และมีซิลิโคนอยู่ระหว่างกลางเพื่อเป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน ในการทดสอบได้วางแผงโซล่าร์เซลล์ทั้งสองแผงให้ได้รับแสงอาทิตย์เท่ากันตลอดเวลา และได้บันทึกค่าพลังงานแสงอาทิตย์ กำลังไฟฟ้าและอุณหภูมิแผงโซล่าร์เซลล์ของทั้ง 2 แผง และอุณหภูมิแวดล้อม การบันทึกค่าทำทุกเวลา 15 นาทีระหว่าง 11:30 น. ถึง 15:30 น. เป็นระยะเวลา 11 วัน ผลการทดสอบพบว่าอุณหภูมิเฉลี่ยแผงโซล่าร์เซลล์ปกติเท่ากับ 59.7 องศาเซลเซียส และผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ 2,090 วัตต์-ชม. ตามลำดับ อุณหภูมิเฉลี่ยแผงโซล่าร์เซลล์ติดตั้งท่อฮีทไปป์เท่ากับ 57.3 องศาเซลเซียส และผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ 2,340 วัตต์-ชม.ตามลำดับ โดยมีอุณหภูมิแวดล้อมเฉลี่ย 37.4 องศาเซลเซียส โดยสรุป แผงโซลาร์เซลล์ติดตั้งท่อฮีทไปป์สามารถลดอุณหภูมิหลังแผงโซล่าร์เซลล์ลงได้ 2.4 องศาเซลเซียส และผลิตพลังงานไฟฟ้าได้เพิ่มขึ้น 250 วัตต์-ชม. หรือ 12 % จากแผงโซล่าร์เซลล์ปกติ

Multi-Physics And Artificial Intelligence Models For Digital Twin Implementations Of Residential Electric Loads, Steven Poore, Rosemary E. Alden, Huangjie Gong, Dan M. Ionel

Power and Energy Institute of Kentucky Faculty Publications

Heating, ventilation, and air-conditioning (HVAC) and electric water heating (EWH) represent residential loads. Simulating these appliances for electric load forecasting, demand response (DR) studies, and human behavior analysis using physics-based models and artificial intelligence (AI) can further advance smart home technology. This paper explains the background of residential load modeling, starting with the concept of digital twin (DT) as well as the different types of methods. Two major types of appliance load monitoring (ALM) and their advantages/disadvantages are then discussed. This is followed by a review of multiple studies on residential load modeling, particularly for HVAC, EWH, and human behavior. …

Large-Scale Modeling And Dr Control Of Electric Water Heaters With Energy Star And Cta-2045 Control Types In Distribution Power Systems, Huangjie Gong, Evan S. Jones, A. H. M. Jakaria, Aminul Huque, Ajit Renjit, Dan Ionel

Power and Energy Institute of Kentucky Faculty Publications

The paper proposes a generalized energy storage (GES) model for battery energy storage systems (BESS), electric water heaters (EWH) and heating, ventilation, and air-conditioning (HVAC) systems to enable demand response control complying to Energy Star and CTA-2045 standards. The demand response control has been implemented in the DER integration testbed, which was originally developed by EPRI, to demonstrate that the “energy content” and “energy take” for BESS and EWH with mixing valve technology are comparable for typical residential ratings. A distribution power system was modeled using the modified IEEE 123-bus feeder system, measured residential loads, and EWH power simulated based …

Stochastic Battery Soc Model Of Ev Community For V2g Operations Using Cta-2045 Standards, Huangjie Gong, Rosemary E. Alden, Dan Ionel

Power and Energy Institute of Kentucky Faculty Publications

An electric vehicle (EV) battery has large energy storage capacity in the context of residential total usage, and the potential to provide large energy reserves for Home energy Management (HEM) systems. In an electric distribution system, groups of EVs could provide vehicle-to-grid (V2G) service in response to control signals and enable virtual power plant (VPP) operation of the car batteries. The CTA-2045 standards were considered for integration of the EV controls into the HEM system for maximal interoperability with other appliances, such as residential battery, electric water heater, and heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) system. The power distribution system …

Models And Optimal Controls For Smart Homes And Their Integration Into The Electric Power Grid, Huangjie Gong

Theses and Dissertations--Electrical and Computer Engineering

Smart homes can operate as a distributed energy resource (DER), when equipped with controllable high-efficiency appliances, solar photovoltaic (PV) generators, electric vehicles (EV) and energy storage systems (ESS). The high penetration of such buildings changes the typical electric power load profile, which without appropriate controls, may become a “duck curve” when the surplus PV generation is high, or a “dragon curve” when the EV charging load is high. A smart home may contribute to an optimal solution of such problems through the energy storage capacity, provided by its by battery energy storage system (BESS), heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) …

Hourly Dispatching Wind-Solar Hybrid Power System With Battery-Supercapacitor Hybrid Energy Storage, Pranoy Kumar Singha Roy

Theses and Dissertations--Electrical and Computer Engineering

This dissertation demonstrates a dispatching scheme of wind-solar hybrid power system (WSHPS) for a specific dispatching horizon for an entire day utilizing a hybrid energy storage system (HESS) configured by batteries and supercapacitors. Here, wind speed and solar irradiance are predicted one hour ahead of time using a multilayer perceptron Artificial Neural Network (ANN), which exhibits satisfactory performance with good convergence mapping between input and target output data. Furthermore, multiple state of charge (SOC) controllers as a function of energy storage system (ESS) SOC are developed to accurately estimate the grid reference power (P_Grid,ref) for each dispatching period. …

Development Of Dc Circuit Breakers For Medium-Voltage Electrified Transportation, Trevor Morgan Arvin

Theses and Dissertations--Electrical and Computer Engineering

Medium-voltage DC (MVDC) distribution is an enabling technology for the electrification of transportation such as aircraft and shipboard. One main obstacle for DC distribution is the lack of adequate circuit fault protection. The challenges are due to the rapidly rising fault currents and absence of zero crossings in DC systems compared to AC counterparts. Existing DC breaker solutions lack comprehensive consideration of energy efficiency, power density, fault interruption speed, reliability, and implementation cost.

In this thesis, two circuit topologies of improved DC circuit breakers are developed: the resonant current source based hybrid DC breaker (RCS-HDCB) and the high temperature superconductor …

Optimal Sizing And Energy Scheduling Of Grid-Supplemented Solar Pv Systems With Battery Storage: Sensitivity Of Reliability And Financial Constraints, Aakash Hassan, Yasir M. Al-Abdeli, Martin Masek, Octavian Bass

Research outputs 2022 to 2026

Establishing reliable, clean, and inexpensive solar PV systems is a complex interplay between the level of reliability (LPSP), financial constraints, and CO2 emissions. This paper investigates the impact of these factors on stand-alone (SA) and grid-supplemented (GS) solar PV systems over multiple seasons. The research uses established hardware models, detailed power management strategies as well as realistic Australian grid tariffs and Genetic Algorithms to find the minimum Cost of Energy (COE) subject to LPSP and financial constraints. The developed power management strategies are also tested experimentally on a real solar PV system. The results indicate that the grid-supplemented system yields …