Esta dissertação apresenta um modelo aproximado de rede desenvolvido para análise de sistemas de distribuição em regime permanente. O modelo é detalhado do ponto de vista matemático e teórico considerando a representação dos elementos em derivação da rede (cargas e geradores) e dos limites operacionais empregando aproximações lineares. A modelagem linear permite determinar de forma simples os valores das tensões e correntes do sistema, podendo ser empregada em problemas de otimização relacionados ao planejamento e expansão de sistemas de distribuição. A representação da carga considera a influência da variação da tensão, fator determinante nas redes de distribuição. Também é considerada a inclusão de geração distribuída (GD) sendo implementada para diferentes modos de operação, permitindo ainda a minimização das perdas para a barra onde a GD está alocada. Para validar a abordagem proposta, os resultados do modelo apresentado foram comparados em termos de tensões, correntes e perdas com resultados obtidos com o modelo convencional de fluxo de carga, solucionado pelo algoritmo de varredura. Os testes foram realizados em dois sistemas de distribuição conhecidos, um de 70 barras e um de 135 barras. Para o sistema de 70 barras foi avaliado o uso de diferentes modos de operação da GD. Finalmente, para o sistema de 135 barras foram comparados os resultados do modelo proposto com o fluxo de carga convencional caracterizando a GD como uma barra de tensão controlada (PV) para diversos valores de injeção ativa na barra selecionada. As conclusões confirmam a validade e as vantagens que o modelo desenvolvido neste trabalho proporciona. / This work presents an approximate model developed to the analysis of electrical distribution systems at steady state. Both mathematical and theoretical details are given considering the representation of the shunt elements (loads and generators) and the operating limits of the network, using linear approximations. The linear modeling adopted resulted in a simple way to determine the values of the voltages and currents of the system; further the model can be applied to optimization problems related to optimal operation and expansion planning of distribution systems. The load representation considers the influence of voltage variations, which play an important role in the distribution networks. This work also considers the inclusion of distributed generation (DG), which is assessed under several modes of operation, including one mode which allows to minimize the losses at the node where the DG is located. To validate the proposed approach, the results for two example networks, given in terms of voltages, currents and losses, were compared with corresponding results obtained with conventional load flow model, solved by the backward-forward sweep method. The examples networks used to test and validate the model are known distribution systems, one having 70 and the other 135 nodes. Regarding the system with 70 nodes, the inclusion of DG was studied for several operational modes. Finally, the system of 135 nodes were used to compare the results of the proposed model with the results of the conventional load flow; in this case, the GD was characterized as a controlled-voltage bar (PV) for various levels of active power injection into the bar where the GD is located. The conclusions show the validity and advantages of the proposed model.

O objetivo principal deste trabalho é avaliar a efetividade da previsão de geração de energia elétrica realizada por meio de simulação de um sistema fotovoltaico integrado por módulos de diferentes características, dispostos em série e conectados à rede de distribuição, sem inversor. Para isto foi utilizado o programa Crearray, desenvolvido no Laboratório de Energia Solar da UFRGS, que permite determinar o ponto de polarização do arranjo e comparar com dados medidos experimentalmente. Foi montado um arranjo fotovoltaico integrado com módulos de diferentes características conectados à rede de distribuição por meio de um inversor. A curva característica de cada um dos módulos foi determinada por ensaio em um simulador. Os dados da curva permitiram determinar os parâmetros dos modelos utilizados no programa Crearray. Para avaliar o funcionamento do programa os dados de tensão em corrente contínua foram inseridos no software e as respectivas correntes foram calculadas. Os valores de corrente calculados e os valores medidos mostraram a eficiência do programa em calcular a curva característica para diferentes condições de irradiância e de temperatura. Utilizando o mesmo programa encontrou-se o ponto de polarização do arranjo ao longo do tempo para o ponto de máxima potência e, desta forma, também a corrente e a potência máxima do lado de corrente contínua do sistema. Na comparação desta potência máxima teórica com a potência efetivamente medida no lado de corrente contínua do sistema, pôde-se constatar que nem sempre o inversor consegue determinar a tensão exata para estabelecer a potência máxima. Na comparação dos dados medidos e simulados observa-se concordância. Da comparação dos valores em horários sem interferência de sombras, foi obtida uma medição da eficiência do seguidor de máxima potência do inversor, em modo dinâmico. Observando os dados adquiridos também foi estimada a eficiência dinâmica de conversão do inversor para um dia. / The main objective of this dissertation is to confirm the forecast of electricity production through the simulation of a photovoltaic system. Such system is composed by modules with different characteristics, arranged in series and connected to the distribution network. The simulation was performed with the help of Crearray, a computer program developed at the Solar Energy Laboratory of UFRGS, which determines the bias point of the array and compares it with experimentally measured data. A photovoltaic array, constituted by modules with different characteristics, was assembled and connected to the distribution network through an inverter. The characteristic curve of each module was previously determined in a solar simulator test. The curve data was used to evaluate the parameters of the curve models used by Crearray software. To verify the correct operation of the program, the DC voltage data was entered to the software and the related current was calculated. The comparison between calculated and measured current values showed the Crearray ability to calculate the characteristic curve for different conditions of irradiance and temperature. Furthermore, the program was used to calculate the maximum power point of the array along the time and thus the delivered DC power. Comparing this theoretical maximum power with the power actually measured at the DC side of the system, it was verified that the inverter sometimes was not able to determine the correct bias voltage to extract the maximum power. Comparison of measured and simulated data showed an excellent concordance, except for certain times when there was shading on the reference cell. Comparing the values over periods without the interference of shadows, it was possible to estimate the MPPT efficiency of the inverter under dynamic mode. Analyzing the acquired data was also possible to estimate the inverter dynamic conversion efficiency for a day.

Comumente, as máquinas de indução são projetadas para atuarem como motores. Assim, a presente tese objetiva estudar, analisar e construir um protótipo de máquina de indução concebida para atuar, exclusivamente, como gerador de indução, ou seja, impulsionada acima da velocidade síncrona. As características operacionais ideais em regime permanente são elaboradas intentando diretrizes de projeto. Concomitantemente, o estudo apresenta e investiga modelagens analíticas obtidas por parâmetros concentrados e, também, modelagens numéricas realizadas pelo método dos elementos finitos. Para isto, um gerador de indução trifásico de 2,2 kW tem o rotor do tipo gaiola de esquilo com ranhuras assimétricas projetado e prototipado. O protótipo do gerador de indução visa melhores características de desempenho como o fator de potência e menores perdas, por exemplo, que uma máquina de indução de mesma potência projetada para atuar como motor, mas funcionando como gerador interligado à rede em regime permanente. Os resultados analíticos, numéricos e experimentais em regime permanente do protótipo do gerador de indução e de um motor de indução de mesma potência, mas funcionando como gerador interligado à rede, são apresentados e comparados. Os resultados experimentais obtidos mostram valores nominais de 0,77 e 83,04% de fator de potência e rendimento, respectivamente, para o funcionamento da máquina convencional no ponto de operação próximo ao valor de corrente nominal. Para a máquina de indução projetada como gerador, os valores nominais de 0,82 e 81,35% de fator de potência e rendimento, respectivamente, foram obtidos no ponto de operação próximo ao valor de corrente nominal. / Commonly, induction machines are designed to act as motors. Thus, the present thesis aims to study, analyze and build a prototype of an induction machine designed to work exclusively as induction generator, i.e. driven above synchronous speed. The optimal steady state operating characteristics are elaborated by bringing design guidelines. Concomitantly, this study investigates and presents analytical modeling obtained by lumped parameters and also numerical modeling carried out by the finite element method. Thus, a three-phase squirrel cage induction generator of 2.2 kW with asymmetric rotor slots has designed and prototyped. The prototype of the induction generator aims best performance characteristics such as power factor, for example, than an induction machine of the same power designed to act as a motor, but functioning as generator parallel with the grid. Analytical, numerical and experimental results in steady state operation of the induction generator prototype and of an induction motor of the same power, but functioning as generator parallel with the grid, are presented and compared. The experimental results show nominal values 0.77 and 83.04% of power factor and efficiency, respectively, for the conventional machine in the operating point close to the value of rated current. For the induction machine designed as a generator, the nominal values 0.82 and 81.35% of power factor and efficiency, respectively, were obtained in the operating point close to the value of rated current.

[pt] Em consonância com a expansão do aproveitamento fotovoltaico no mundo, o presente trabalho busca fomentar o conhecimento do nascente mercado desta fonte energética no país. É feita uma avaliação da viabilidade econômico-financeira de sistemas de geração fotovoltaica distribuída para grandes clientes da concessionária Light, a partir da estimação do preço de um sistema de médio/grande porte assim como do retorno financeiro do mesmo ao ser submetido à análises de sensibilidade envolvendo múltiplos cenários. A análise considerou estimativas relacionadas às seguintes figuras de mérito: valor presente líquido, taxa interna interna de retorno e payback. Considerando a taxa de câmbio média encontrada no primeiro semestre de 2015 (3,30Real/euro/dólar), foi observada uma majoritária condição de viabilidade dentre os 12 cenários propostos, que levaram em conta várias combinações de taxas de inflação, taxas de desconto e adoção ou não de crédito para financiamento do investimento inicial. Posteriormente, aplicou-se a mesma análise de viabilidade econômico-financeira desenvolvida a um cliente real da concessionária (Edifício do Ministério da Fazenda). Foi realizada a modelagem 3D da edificação e a verificação do sombreamento decorrente dos próprios elementos construtivos da cobertura e dos edifícios relevantes em seu entorno. Após estimada a geração de energia fotovoltaica anual pode-se, por aproximação, concluir que a mesma seria capaz de prover 11,68 por cento da necessidade anual do edifício. Projetando-se a geração futura de energia para toda a vida útil do sistema, foi possível analisar financeiramente a viabilidade do projeto segundo os mesmos 12 cenários definidos anteriormente, tendo a situação de viabilidade ocorrido em 9 deles. / [en] The last years showed an exponential growth in the use of photovoltaics in the world. The worldwide installed capacity of 23 GW in 2009 reached the expressive mark of 139 GW in 2013, being the European continent the holder of the largest portion of it (59 per cent or 81 GW). The most recent estimates describe a still small market in Brazil, with only 20 MW of installed capacity (EPE, 2014a) and mostly located in remote areas not covered by the interconnected system. Nevertheless, the growth potential of the domestic market is promising, greater even than that presented by the leaders in the use of this source. Based on the inherent natural advantages that the country possesses (such as high levels of solar radiation), it s safe to say that the photovoltaic power generation can be an important driver to increase the participation of renewable sources and the security of our energy matrix. In fact, this movement was already anticipated by planners of the electric sector. The Power Expansion Plan with 2024 horizon, prepared by the Energy Research Company (EPE), was published in december 2015 (EPE, 2015b). Among the main projections of the plan is the increase of the installed capacity of power generation in 73.000 MW. Half of this expansion is based on renewable sources (wind, solar, biomass and small hydropower plants), and 7.000 MW exclusively from photovoltaic generation. In this context, this dissertation seeks to contribute to the deepening of the studies devoted to the nascent national photovoltaic market, covering in particular the Estate of Rio de Janeiro. The objective is to evaluate the economic feasibility of photovoltaic distributed generation systems for large customers of the distribution utility Light, estimating not only the price of a photovoltaic system of medium/large size but also the financial return and sensitivity analysis contemplating multiple scenarios.

Este trabalho apresenta maneiras de trabalhar com o controle de potência reativa e estabilidade de tensão em microgrids. A estratégia de controle utilizada é o Controle por Tensão Distribuída (Distributed Voltage Control - DVC), ou controle por tensões distribuídas, um laço integral que considera as potências reativas em todas as barras como entradas e as tensões respectivas como sinais de controle. Diferentes estratégias de controle para distribuição de potência foram propostas e analisadas, sempre enfatizando seus aspectos conceituais. O cálculo dos ganhos do controlador, embora fundamental para o sucesso de qualquer estratégia de controle, geralmente não é discutido, e não são dados métodos ou linhas gerais para esta tarefa. Neste trabalho, apresentamos e discutimos diferentes metodologias para o projeto de ganhos de controle em DVC. Além disso, sendo o sistema não-linear, grandes variações de performance podem ser observadas se os mesmos ganhos de controle são usados para todos os pontos de operação, o que motiva a proposta de uma estratégia de programação de ganhos, também apresentada neste trabalho. / This text deals with the control of reactive power distribution and voltage stability in microgrids. The control strategy studied is the Distributed Voltage Control (DVC), an integral loop considering entries as reactive in every bus and the bus voltages as control signals. Different control strategies for power distribution have been proposed and analysed, always emphasising its conceptual aspects; design of the controller’s gains, however fundamental for the success of any control strategy, is usually not discussed, and no methods or guideline are given for this task. In this text we present and discuss different methodologies for tuning the control gains in DVC. Moreover, since power systems are nonlinear, large variations in performance can be observed if the same control gains are used for all operating points, which motivates the proposal of a gain scheduling strategy, also presented in here.

A inserção de fontes de geração distribuída (GD) traz a possibilidade de diversificação da matriz energética e a redução de perdas elétricas no transporte de EE – porque as fontes localizam-se próximas aos clientes finais. Entre elas destacam-se as fontes fotovoltaicas, eólicas, pequenas centrais hidrelétricas (PCH) e termelétricas à biomassa. As duas primeiras, apresentam a peculiaridade de normalmente serem conectadas à rede através de inversores de frequência. As outras duas costumam ser conectadas diretamente ao sistema. Todavia, a GD também propicia consequências ao SEP, muitas vezes indesejadas, como variações nos parâmetros da qualidade da energia elétrica (QEE). O compromisso que se deve manter com a QEE entregue aos consumidores é de vital importância para as empresas transmissoras e distribuidoras de energia elétrica, bem como para os utilitários dessa EE. Além disso, para que haja o correto funcionamento de equipamentos eletrônicos e de diversos processos industriais é necessário que a energia elétrica permaneça em uma faixa de tensão aceitável. Entre os fenômenos de interesse da área de qualidade de energia elétrica, os quais devem ser eliminados ou mitigados para a melhor operabilidade do SIN, pode-se citar: harmônicos, flutuação de tensão, subtensão, sobretensão e afundamentos de tensão. Devido a observabilidade rotineira e aos prejuízos (financeiros e/ou técnicos) associados ao fenômeno, o interesse desse estudo consiste nos afundamentos de tensão. Nesse contexto, apresenta-se uma proposta para análise dos afundamentos de tensão em um ambiente com geração distribuída (fotovoltaica, eólica, PCH e termelétrica à biomassa) através de simulações de curtos-circuitos. Os resultados obtidos através da metodologia proposta mostram que a inserção de GD pode trazer uma variação no número de afundamentos de tensão e melhorar os níveis de tensão nas barras, sobretudo nos locais onde foram inseridas bem como em suas proximidades. Também, há redução no número de afundamentos de maior severidade os quais causam mais prejuízos e preocupação a operabilidade do SEP. / The insertion of distributed generation (DG) sources brings the possibility of diversification of energy sources types and the reduction of electrical losses in the transport of EE - because the sources are located close to end users. Among these sources are photovoltaic, wind, small hydropower and biomass-fired power plants. The first two, are usually connected to the network through frequency inverters. The other two are usually connected directly to the system. However, DG also provides consequences to the electrical power system, often unwanted, such as variations in the parameters of power quality (PQ). The commitment should be retained with the power quality delivered to customers. Moreover, for the correct operation of electronic equipment and various industrial processes it is necessary that the voltage remains within an acceptable range. Among the phenomena of interest to electric power quality, which must be eliminated or mitigated, we can mention: harmonics, voltage fluctuation, undervoltage, overvoltage and voltage sags (dips). Due to losses (financial and/or technical) associated with the phenomenon, the interest of this study consists of the voltage sags. In this context, we present a proposal for analysis of voltage sags in an environment with distributed generation (photovoltaic, wind, thermal and biomass-fired power plants) through simulations of short circuits. The results obtained through the proposed methodology shows that the inclusion of DG can bring a change in the number of voltage sags and improve voltage levels in bars, especially in places where they were inserted and in its vicinity. Also, there is a reduction in the number of severe voltage sags which cause more harm and concern to end-users and utilities.

Orientadora: Profa. Dra. Patrícia Teixeira Leite Asano / Tese ( doutorado)- Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2015. / A geração distribuída é a produção de energia elétrica conectada à rede de distribuição, o que caracteriza uma geração de energia descentralizada, próxima aos centros de carga e geralmente com menor potencial quando comparada à centralizada. Essa configuração é explorada em alguns países e demonstra potencial de aplicabilidade, cujo planejamento pode direcionar o desenvolvimento econômico com contribuições sociais e redução de impactos ambientais. No Brasil, no entanto, sua disseminação ainda é limitada, principalmente por implicar em grandes mudanças no atual modelo praticado pelo setor elétrico brasileiro. Desta forma, com o intuito de incentivá-la e cooperar com a elaboração de uma ferramenta de auxílio à tomada de decisão na implantação da geração distribuída, este trabalho de pesquisa tem o objetivo de desenvolver uma metodologia de avaliação de locais com potencial para a instalação de geradores distribuídos, ponderando aspectos de desenvolvimento sustentável, ou seja, com base na integração de parâmetros econômicos, ambientais e sociais. A integração dos conceitos de desenvolvimento sustentável e geração distribuída foi feita através de indicadores de sustentabilidade e matriz de interdisciplinaridade. E por se tratar de um problema com diversas variáveis, utilizou-se métodos de avaliação multicritério, como a Combinação Linear Ponderada e a Média Ponderada Ordenada. Para que fosse possível o tratamento de parâmetros com características espaciais, trabalhou-se com um sistema de informação geográfica. A metodologia foi aplicada ao estado de São Paulo, para a identificação de municípios com potencial para a instalação de geradores eólicos como geração distribuída, baseando-se em critérios de avaliação nas três dimensões de sustentabilidade. / Understanding modern problems, such as sustainable development, requires an interaction between different dimensions of a system and not just solutions in the economic field. Such asthe expansion of the electric power supply that requires an interdisciplinary approach, withmultiple interrelated parameters. The pattern of electricity consumption in each country is strongly related to its economic growth. Since this is still among the major goals of the nations, the search for higher power supply capacity is continuous. However, there is an interrelationship between electricity production and environmental impacts, whether in the extraction of primary energy resources, in deposition or emission of waste during the production of electricity or in building power supply plants, including associated social impacts. In this sense, there is the need to seek planning solutions aimed to meet the demand in a way that does not limit economic development, and at the same time has less aggressive effects on the environment and society. In this context, the aim of this paper is to present an evaluation methodology to point places with potential for the installation of distributed generators, seeking to contemplate aspects of economic, environmental and social dimension. The methodology was applied to find suitable locations for the wind generation in Sao Paulo municipalities. Evaluation variables were selected from the bibliographical study of sustainable development and sustainability indicators within the scope of energy. Among them there are: the availability of local energy resource, the presence of environmental preservation areas, the need for availability of electricity in regions with greater social difference, and access to the grid. These evaluation criteria have been worked through multicriteriaanalysis such as: Weighted Linear Combination and Ordered Weighted Average, and the spatial variables involved were treated through a Geographic Information System. This methodology can contribute to the development of a tool to aid institutions in the expansion planning of the electricity sector under the sustainable development perspective.

Orientador: Prof. Dr. Marat Rafikov / Tese ( doutorado)- Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2016.

Orientadora: Prof. Dr. Ahda Pionkoski Grilo Pavani / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2017. / A conexao de geradores distribuidos a rede eletrica permite o aproveitamento de fontes dispersas de energia e pode tambem trazer outros beneficios como o aumento da confiabilidade da rede de distribuicao. Este aumento da confiabilidade se da quando a conexao com a concessionaria e perdida devido a algum problema e, entao, as cargas passam a serem alimentadas pelos geradores distribuidos conectados a rede, pratica denominada ilhamento intencional. No entanto, para a operacao ilhada dos geradores distribuidos e fundamental que a desconexao da rede da concessionaria seja identificada e o modo de controle dos geradores seja alterado. Esta identificacao da mudanca do estado da rede pode ser facilmente realizada quando a rede e provida de um sistema de comunicacao, que permite a comunicacao entre todos os dispositivos de protecao. Porem, esta ainda e uma solucao cara, que inviabilizaria a operacao ilhada de varios geradores distribuidos. Desta forma, neste trabalho e desenvolvida uma metodologia para identificacao das condicoes de operacao da rede que nao dependente de um sistema de comunicacao. A tecnica desenvolvida e classificada como local ativa, uma vez que e baseada em medicoes de variacoes de tensao (¿¢V) e frequencia (¿¢f), e, quando necessaria, uma variacao na potencia de referencia (¿¢P) do gerador e usada para verificar o estado da rede. Com isso, a tecnica e bastante eficaz nas diferentes condicoes de operacao da rede eletrica e pode ser utilizada tanto para identificar a ocorrencia de ilhamento quanto para identificar uma reconexao do gerador a rede da concessionaria. / The connection of distributed generators to the grid allows the use of dispersed sources of energy and may bring other benefits such as increasing the reliability in the distribution network. This increase in reliability occurs when the connection to the utility is lost due to some problem and distributed generators connected to the network then supply the loads; practice named intentional islanding. However, for the islanded operation of the distributed generators it is essential that the disconnection of the utility network is identified and the mode of control of the generators is changed. This identification of the operating condition can easily be performed when the network is provided with a communication system, which allows communication between all protection devices. However, this is still an expensive solution, which would limit the islanded operation of several distributed generators. Thus, in this work a methodology is developed to identify the operating conditions of the network that does not depend on a communication system. The developed technique is classified as active, since it is based on voltage (ÄV) and frequency (Äf) measurements, and, when it is necessary, a change in reference power (ÄP) of the generator is used to check the status of the network. Thus, the technique is quite effective in the different operating conditions of the electrical network and can be used both to identify the occurrence of islanding and to identify a reconnection of the generator to the utility network.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The new design of electric power system, called Smart Grid, has emerged as a new challenge especially for power distribution networks, which need to promote greater functionality such as real-time monitoring of the information about the energy consumption of consumers, the massive automation with smarter equipment and devices, monitoring and quick action when facing problems, connection of distributed generation, among others. The connection of distributed generation sources such as wind and solar power in the distribution network is becoming an increasingly common practice and it has great influence on several aspects of the distribution network, especially in system reconfiguration. The initial topology of the feeders may not be ideal after the connection of the power generation, as well as the power flow is modified by the distributed generation. In this sense, this Master Thesis presents a methodology for the management of distribution networks through reconfiguration of the network topology and the power injection of distributed generators based on wind, photovoltaic and hydroelectric generation. The solution of the reconfiguration problem is based on heuristic technique Branch Exchange, which seeks to optimize multiple objectives. To select the networks configuration the multi-criteria decision AHP (Analytic Hierarchy Process) method is used. To illustrate the efficiency of the methodology the results for a real network of an electric utility are presented, considering different scenarios of load and distributed generation availability, as well as validation of the results by the exhaustive search method. / A nova concepção do sistema elétrico de potência, chamada Smart Grid, surgiu como um novo desafio especialmente para as redes de distribuição de energia, as quais necessitam promover maiores funcionalidades como o acompanhamento em tempo real das informações sobre o consumo de energia dos consumidores, a massiva automação com dispositivos e equipamentos mais inteligentes, o monitoramento e atuação rápida frente a problemas, a conexão de geração distribuída, entre outros aspectos. A conexão de fontes de geração distribuída como a eólica e fotovoltaica na rede de distribuição vem se tornando uma prática cada vez mais comum e tem grande influência sobre vários aspectos da rede de distribuição, sobretudo na reconfiguração do sistema. A topologia inicial dos alimentadores pode não ser a ideal após a conexão das centrais de geração, uma vez que o fluxo de potência é modificado com a presença da geração distribuída. Neste sentido, este trabalho apresenta uma metodologia para o gerenciamento das redes de distribuição através da reconfiguração da topologia dos alimentadores e da conexão de geradores distribuídos baseados na geração eólica, fotovoltaica e hidráulica. A solução do problema de reconfiguração é baseada na técnica heurística Branch Exchange, onde se procura a otimização de múltiplos objetivos. Para a seleção das configurações das redes é utilizado o método de tomada de decisão multicriterial AHP (Analytic Hierarchy Process). A fim de ilustrar a eficiência da metodologia, são apresentados os resultados para uma rede real de uma concessionária de energia elétrica, considerando diferentes cenários de carga e de disponibilidade de geração dos geradores distribuídos, bem como a validação dos resultados através do método de busca exaustiva.