Esta dissertação tem por propósito analisar os impactos da geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e sobre a proteção das redes de média tensão das concessionárias de distribuição de energia elétrica usando uma abordagem paramétrica. A principal motivação deste trabalho são os recentes incentivos regulatórios que estão fomentando a geração distribuída no Brasil. Contudo, as redes de distribuição convencionais foram projetadas para serem passivas e a introdução da geração poderá causar problemas de ordem técnica que ainda precisam ser resolvidos. Tais problemas foram pesquisados e aqueles relacionados com os impactos sobre as correntes de curto-circuito foram enfatizados. As normas técnicas das concessionárias também foram investigadas porque seus requisitos, como a ligação dos transformadores de acoplamento, influem nas correntes de curto-circuito. Para se calcular as correntes de curto-circuito, desenvolveu-se uma planilha eletrônica cujos resultados foram validados com programas comerciais de análise de redes elétricas. Esta ferramenta foi utilizada para demonstrar, através de exemplos, o impacto causado pela geração distribuída sobre as correntes de curto-circuito e, posteriormente, para realizar as análises paramétricas nas quais a influência de cada variável foi avaliada. A aplicação do método paramétrico permitiu o estudo de possíveis limites para a potência de um gerador distribuído em função dos impactos admissíveis, de seu ponto de conexão, de seus parâmetros elétricos e dos parâmetros elétricos da rede. / The purpose of this thesis is to analyse the impacts of distributed generation on short-circuit currents and protection of the distribution utilities medium voltage networks using a parametric approach. The new regulations that are promoting the distributed generation in Brazil are the main motivation for this work. However, the conventional distribution networks were designed to be passive; therefore the integration of generation may cause some technical problems yet to be solved. Such problems were researched and those related to the impacts on short-circuit currents were emphasized. The utilities technical standards were also explored as their requirements affect the short-circuit currents (e.g. the transformers connections). A spreadsheet was developed in order to calculated the short-circuit currents and it was validated comparing its results to those of a commercial network analysis software. This tool was used to expose the impacts of distributed generation on short-circuit currents through examples and also to carry out parametric analysis in which the influence of every variable was evaluated. The application of a parametric method made it possible to define the maximum installed capacity of a distributed generator as a function of the allowed limits to the impacts on the short-circuit currents, its point of coupling, its electrical parameters and the electrical parameters of the network.

Com o advento da geração distribuída foi permitido aos sistemas de distribuição a possibilidade de operação de forma ilhada dos sistemas interligados de grande porte. Apesar de suas vantagens, do ponto de vista técnico, ainda existe uma série de desafios que necessitam ser superados para a plena aplicação desse conceito. Um desses desafios é definido pela transição dos modos operativos dos geradores distribuídos durante o processo de ilhamento. Da forma em que é reportada na literatura, infere-se que tal transição é realizada de um modo inadequado, amplificando os transitórios observados nas grandezas do gerador distribuído - e por consequência, da rede em que o mesmo se conecta - durante o processo de ilhamento, o que não é desejável. No contexto apresentado, a principal contribuição desta pesquisa está em propor uma estrutura híbrida de controle a ser aplicada aos sistemas de excitação de geradores síncronos que operam em sistemas de distribuição que permitem a operação ilhada de determinadas porções de suas redes. A principal característica da estrutura proposta está em atenuar os transitórios das variáveis do gerador controlado durante o processo de ilhamento. Além disso, o arranjo da estrutura proposta estabelece um compromisso entre a potência reativa e a tensão terminal do gerador controlado, quando o mesmo opera em paralelo com os sistemas interligados de grande porte. Nessa condição, o sistema de controle mantém a potência reativa próxima da referência ajustada atendendo a uma faixa adequada de valores de tensão terminal. / With the advent of distributed generation, the possibility of autonomous operation regarding the bulk power systems was allowed to the distribution systems. Despite its advantages, from the technical point of view, there are lots of challenges that need to be overcome for the full application of this concept. One of these challenges is the transition of distributed generators operating modes during the islanding process. Based in the literature survey, it is inferred that transition is performed in a wrong way, which amplifies the transients in controlled generator quantities and consequently, of the network connected to it during the islanding process, which is undesirable. In this context, the main contribution of this research is the proposal of a hybrid control structure to be applied to the excitation systems of synchronous generators that operate in distribution systems whose islanded operation of determined portions of its grids is permitted. The main characteristic of the proposed structure is the attenuation of transients of the controlled generator quantities during the islanding process. Furthermore, the design of this structure provides a compromise between the generator reactive power and terminal voltage when it operates in parallel with the bulk power systems. That way, the control system maintains the reactive power close to the adjusted reference attending an appropriate range of terminal voltage values.

Este trabalho aborda a detecção da condição de ilhamento e de seus impactos em redes de distribuição e em gerações distribuídas que empregam conversores CC-CA. Na literatura são encontradas dois grupos de técnicas para este tipo de aplicação. As técnicas passivas, que identificam a condição de ilhamento através do ajuste dos limites de variação dos relés de proteção, e as técnicas ativas, que inserem um sinal de realimentação positiva de forma a tornar o sistema instável no momento da desconexão. As técnicas ativas, por apresentarem um menor tempo de detecção e simples implementação em hardware, são preferencialmente utilizadas, apesar da injeção de distúrbios no sistema de controle da geração distribuída. O estado-da-arte em termos de detecção de ilhamento consiste em desenvolver uma técnica que possua alta capacidade de detecção, porém sem injeção de distúrbios no sistema de geração distribuída quando conectado à rede de distribuição. Neste trabalho, são abordadas duas formas para a redução da injeção de distúrbios e do tempo de detecção. Em uma primeira abordagem é proposto um projeto ótimo para o algoritmo de sincronização PLL (phase-locked loop), o qual permite a redução do ganho de realimentação positiva para técnicas em frequência e, consequentemente, a redução da injeção de distúrbios. Em uma segunda abordagem é utilizada a metodologia fuzzy de forma a garantir a detecção da condição de ilhamento sem nenhuma injeção de distúrbios no sistema de controle. Resultados de simulação e experimentais, obtidos por meio de uma bancada experimental controlada por DSP, são apresentados para validar as propostas presentes nesta dissertação / This thesis deals with the islanding detection and its impact on distribution networks when distributed generation systems are driven by DC-AC converters. Two groups of techniques are found in the literature. The passive techniques in which adjusting the variation limits of protective relays identify the islanding condition, and the active techniques that insert a positive feedback signal in order to make the system unstable when the contingency is on progress. The active techniques present a reduced detection time and simple hardware implementation. They are preferably used in despite of the injection of disturbances in the control system. In this thesis two ways to reduce injection of disturbances and detection time are proposed. In a first approach is shown an optimal design for the synchronization algorithm PLL (Phase-Locked Loop) which allows to reduce the positive feedback gain in frequency techniques in order to decrease the injection of disturbances. In a second approach a fuzzy methodology is used to ensure the islanding detection with the aforementioned requirements. Simulation analysis and experimental results are presented to validate the proposed approach

Orientador: Jose Roberto Sanches Mantovani / Resumo: Neste trabalho, propõe-se uma nova metodologia para abordar de forma integrada os problemas de restauração automática e sequenciamento de operação de abertura e fechamento de chaves em redes de distribuição de grande porte. Na literatura os problemas de restauração e sequência de chaveamentos são normalmente considerados de forma separada e sequencial, em que o resultado do algoritmo de restauração é o dado de entrada para o algoritmo que gera a sequência de chaveamento. A inconsistência com esta abordagem é que não necessariamente o resultado convencional do algoritmo de restauração (conjunto de chaves que devem ser manobradas), é o melhor dado de entrada para o algoritmo que elabora o sequenciamento ótimo de abertura/fechamento das chaves. Isso porque quando ambos os problemas são resolvidos separadamente, eles possuem funções objetivos diferentes. O problema de restauração tem por objetivo minimizar a quantidade de carga desconectada com o menor número de chaveamentos possíveis, enquanto que o problema de sequenciamento de chaves tem o objetivo de reduzir a energia não suprida no sistema durante um evento de falta permanente. Uma nova abordagem baseada na meta-heurística de Busca Tabu com Vizinhança Variável Reativa é proposta para explorar o espaço de busca do problema em análise, simultaneamente com uma nova heurística para gerar a sequência de chaveamento em sistemas de grande porte com milhares de nós de carga. A existência em operação na rede de controle de equipament... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work, a new methodology is proposed to address, in an integrated approach, the automatic restoration problem and the switching sequence problem for large scale distribution networks. In the literature, the restoration and switching sequence problems are usually addressed separately and sequentially. Thus, the result of the distribution restoration algorithm is the initial data for the switching sequence algorithm. The inconsistency with this approach is that, not necessarily the conventional result of the restoration algorithm (a set of switches to be maneuvered) is the best initial data for the switching sequence algorithm. It is explained by the fact that both problems have different objective functions. The distribution restoration problem aims to minimize the amount of disconnected load with the fewest number of possible switching, whereas the switching sequence problem aims to minimize the energy not supplied in the network after a permanent fault. A new approach based on the Tabu Search with Reactive Variable Neighborhood meta-heuristic is proposed to explore the search space of the problem, along with a new heuristic to generate the switching sequence in large size distribution systems with thousands of load buses. The presence of voltage control devices, as switched capacitors and voltage regulators, are considered to improve the quality of solutions. The presence of distributed generation with black start capability is also considered. The cold load pick up c... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

O desenvolvimento sustentável busca satisfazer as necessidades humanas no presente sem comprometer a capacidade de satisfazer as necessidades da sociedade no futuro. Com a demanda crescente por energia, a diversificação da matriz energética atual e a busca por fontes renováveis complementares tornam-se cada vez mais importantes. Entre essas fontes as energias provenientes do sol e das correntes de ar se destacam como duas das mais promissoras e, na busca pelo aproveitamento direto da radiação solar e da energia cinética oriunda dos ventos, diversas tecnologias tem sido estudadas e desenvolvidas. No Brasil, segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL (2016) as fontes de energia eólica e solar fotovoltaica representam pouco mais de 6% do total considerando os empreendimentos em operação, o que indica uma oportunidade para a expansão da geração de energia elétrica utilizando estas fontes limpas. Considerando, então, a relevância que a geração renovável de energia assume nesse contexto, este trabalho detalha a implantação, discute os resultados obtidos e estuda a viabilidade técnica-econômica da instalação de um projeto de geração eólico isolado e fotovoltaico com conexão à rede elétrica de distribuição, sob o âmbito das Resoluções Normativas número 482/2012 e 687/2015 da ANEEL, fornecendo energia a uma estação rádio base de telefonia celular no estado de São Paulo. / Sustainable development seeks to meet human needs in the present without compromising the ability to meet the needs of society in the future. With the growing demand for energy, the diversification of the energy matrix and the search for complementary renewable sources become increasingly important. Among these sources, the energy from the sun and air currents stand out as two of the most promising and in the search for direct use of solar radiation and kinetic energy from the wind, several technologies have been studied and developed. In Brazil, according to the Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL 2016) the sources of photovoltaic solar and wind energy account for just over 6% of total considering the projects in operation, indicating an opportunity for the expansion of electricity generation using these clean sources. So considering the importance that renewable energy generation takes this context, this paper details the implementation, discusses the results and assessing the technical and economic feasibility of installing a isolated wind generation and a photovoltaic generation project with connection to the electrical distribution network, under the scope of Normative Resolution number 482/2012 and 687/2015 of ANEEL, providing power to a radio station cellular base in the state of São Paulo.

Neste trabalho buscou-se apresentar e analisar os resultados da utilização da Geração Distribuída (GD) Fotovoltaica pelo consumidor residencial (microgerador) e seus efeitos nas relações com a Distribuidora de energia elétrica nos âmbitos técnico, comercial e regulatório, baseados nas Resoluções Normativas 482 e 687 da ANEEL. As conclusões demonstraram haver um desequilíbrio nesta relação. Isto é, nem sempre o retorno financeiro se mostrou viável ao microgerador, tampouco interessante para a Distribuidora. Isto posto, o trabalho expõe uma modelagem tal para que a distribuidora passe a atuar de forma ativa na disseminação da GD. Por fim, modela-se um sistema que pretende aliar o potencial energético solar por parte do consumidor de baixa renda, em troca de fornecimento de energia elétrica limpa e renovável. / This work intended to present and assess the results of the application of Photovoltaic Distributed Generation (DG) by the residential consumer (microgenerator) and the effects on the relations with the distribution utility within the technical, commercial and regulatory, based on the Normative Resolutions 482 and 687 from ANEEL. The conclusions show an unbalance in this relation. Thus, the feasibility for the microgenerator is not assured nor it could interest the utility. That being said, the work presents a model so that the utility starts actively acting to disseminate the DG. Finally, a system is modeled intending to ally the solar power potential from the low-income consumer in exchange of clean and renewable power.

O crescimento da demanda por eletricidade tem promovido a diversificação da matriz energética em termos de fontes primárias, porte de geração e alocação dos geradores. Neste cenário, a inserção de geradores de pequeno porte nos sistemas de distribuição tem causado a descentralização da produção de energia elétrica e, no contexto nacional, o alto potencial para geração de eletricidade através de pequenas centrais hidrelétricas e usinas de cogeração tem dado destaque aos geradores síncronos distribuídos. Contudo, é necessário avaliar as implicações da presença dos geradores síncronos em sistemas de distribuição e avaliar se as metodologias já consagradas de análises, operação e normalização técnica estão adequadas. Dentre as principais peculiaridades dos sistemas de distribuição estão a proximidade dos geradores às cargas e a presença de eventos aleatórios de maior amplitude, tais como variações de carga que ocorrem natural e intermitentemente no sistema. Além disso, problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas podem agora ocorrer em níveis de distribuição e deve-se estabelecer um procedimento para identificação destes modos. Entretanto, o procedimento usual para o estudo de estabilidade a pequenas perturbações pode se tornar inviável, pois a construção do modelo completo é de extrema complexidade e os parâmetros dos elementos em níveis de distribuição são de difícil obtenção. Para reverter estes problemas citados, esta pesquisa oferece um procedimento alternativo para a obtenção dos modos de oscilação eletromecânica em sistemas de distribuição, sugerindo a estimação modal através de dados ambiente. / The electricity demand increase has promoted the energy matrix diversification in terms of primary sources, generation size and allocation of generators. In this scenario, the insertion of small sized generators in distribution systems has caused the power production decentralization and, in the national context, a high potential for generating electricity through small hydroelectric power plants and cogeneration plants has drawn attention to distributed synchronous generators. However, it is necessary to assess the implications of synchronous generators presence in distribution systems and evaluate if the current methodologies of analysis, operation and technical standards are appropriate to this context. Among the main distribution systems particularities, there are the proximity of generators to loads and more significant random perturbations conceptualized as load switching. In addition, problems related to lightly damped modes can occur in distribution and there is a need to establish a procedure for modal identification. However, the usual procedure for the small-signal stability analysis is not adequate to this problem, because the model construction is very complex and the parameters in distribution are very difficult to obtain. To face the challenges, this research provides an alternative procedure for obtaining electromechanical modes in distribution systems, suggesting modal estimation techniques that use measured ambient data.

A produção de energia elétrica por fontes de geração distribuída (GD) vem se tornando cada vez mais presente no sistema elétrico de potência. De modo geral, os sistemas de GD conectados à rede de distribuição operam controlando potências ativa e reativa, enquanto que no modo isolado, a frequência e a tensão. Sendo assim, após a ocorrência de um ilhamento deve haver alteração no modo de operação da GD para garantir a estabilidade da frequência e da tensão no subsistema ilhado. Ainda, se o modo de operação não for alterado após o ilhamento, os dispositivos de proteção podem atuar desligando a GD. Portanto, o tempo decorrido até a alteração do modo de operação desempenha um papel importante na indicação se a GD permanecerá ou não em funcionamento após a ocorrência do ilhamento. Neste trabalho, são determinados os tempos máximos para chaveamento dos modos de operação de um grupo motor gerador diesel (GMG) operando como GD, utilizando controladores clássicos (CCs) e controladores fuzzy (CFs). Foram analisadas as influências do desbalanço entre as potências geradas e consumidas, do tipo de carga conectada ao subsistema ilhado e do comprimento do alimentador nos tempos máximos. Para evidenciar possíveis vantagens da estratégia de controle não linear, é utilizada uma metodologia na qual o ajuste dos ganhos dos CFs é realizado a partir dos ajustes de referência dos CCs. Devido ao ganho variável que a estratégia não linear adiciona às ações de controle, a utilização de CFs nas malhas do GMG permitiu maiores tempos de chaveamento para determinadas faixas de operação, quando comparado com a utilização de CCs. / Distributed generation (DG) is becoming more present in the electrical power system. In general, when a DG is connected to the grid, the DG works with the active and reactive power control loops. Therefore, after an islanding occurrence, the DG must change the operation control mode from power control to voltage and frequency control to maintain the system stability. If the operation mode is not changed after islanding, the protective devices are sensitized and the DG is disconnected. Therefore, the time elapsed until the operation mode changes has an important role in the indication if the DG remains in operation or not after islanding. In this work, the maximum times for switching the operating control mode of a diesel generator set, working as a DG, are analysed using a classical control strategy (CC) and a fuzzy control strategy (FC). The influence of the power imbalance, load types and the feeder distance on the maximum available time to switch the operation control mode is investigated. To highlight the advantages of a nonlinear control strategy, is used a methodology in which the tuning of the FCs gains is performed from the CCs which are used as reference. Due to the variable gain added by the nonlinear strategy, the FC allowed higher switching times than the CC.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2017-11-17T12:33:07Z No. of bitstreams: 1 Leandro Marcio Langoski_.pdf: 1055769 bytes, checksum: 05ac48d6db85bfa21f53dd99ca78b6ea (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-17T12:33:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leandro Marcio Langoski_.pdf: 1055769 bytes, checksum: 05ac48d6db85bfa21f53dd99ca78b6ea (MD5) Previous issue date: 2017-07-31 / Nenhuma / Este trabalho aborda os Sistemas Produto-Serviço (PSS), uma estratégia de inovação com o propósito de integrar produto e serviço visando atender as necessidades do cliente e reduzir os impactos ambientais. O objeto empírico é a geração de energia fotovoltaica, e, utilizando-se do estudo de caso, trabalha-se com dois tipos de PSS: o orientado ao produto e o orientado ao uso. Com a REN 482/2012, a ANEEL permitiu a geração distribuída, ou seja, uma residência, indústria ou comércio pode gerar a sua própria energia. A tese analisa como ocorre a escolha de um PSS na geração de energia fotovoltaica. Para isso, três atores são investigados: distribuidoras de energia elétrica, empresas que comercializam equipamentos de geração de energia FV e os consumidores (pessoa jurídica). Alguns itens são debatidos nas análises, como as táticas de implementação de um PSS (contratos, marketing, design de produto e serviço, e rede de atores), sustentabilidade e a cadeia da energia elétrica no Brasil. Os resultados apontam que novidades tecnológicas, equipamentos de longa duração e o modelo de mercado tradicional podem influenciar na escolha de um PSS e, assim, determinar o modelo de negócio. / This thesis approaches the Product-Service Systems (PSS), an innovation strategy with the purpose of integrating product and service in order to meet customer needs and reducing environmental impacts. The empirical object is the generation of photovoltaic energy, and, by using the case study, works with two types of PSS: the product-oriented and the use-oriented. With REN 482/2012, ANEEL allowed the distributed generation, that is, a residence, industry or enterprise can generate their own energy. The thesis analyzes how to choose a PSS in the generation of photovoltaic energy. For this, three parties are investigated: electric power distributors, companies that sell PV power generation equipment and consumers (legal entity). Some items are discussed in the analysis, such as the tactics of implementing a PSS (contracts, marketing, product and service design, and network of the actors), sustainability and the electric energy chain in Brazil. The results indicate that technological innovations, long-term equipment and the traditional market model can influence the choice of a PSS and, thus, determine the business model.

sensíveis têm requerido elevados níveis de confiabilidade dos sistemas de distribuição de energia. Em meio a este cenário, a proliferação de geradores distribuídos conectados próximos às cargas evidencia o surgimento de um novo paradigma na produção e utilização da energia elétrica. No entanto, muitos problemas decorrem do fato de que os sistemas de distribuição não foram projetados para incorporar unidades geradoras de energia. A estratégia completa de controle e proteção é definida sob o pressuposto do fluxo unidirecional de potência nos alimentadores. Um dos conflitos mais imediatos que surgem com a penetração da geração distribuída é relacionado ao sistema de proteção, resultado da alteração na magnitude das correntes de falta. Algumas consequências são a perda da sensibilidade e da coordenação da proteção. Se contornados estes problemas, a geração distribuída tem potencial para exercer impacto positivo sobre a confiabilidade, em especial no suporte ao restabelecimento da carga em situações de contingência. Tendo em vista estes fatores, a metodologia proposta adota uma perspectiva multicriterial para otimizar o desempenho dos sistemas de distribuição na presença da geração distribuída. Os indicadores SAIDI, SAIFI e MAIFI são formulados como modelos de otimização que possibilitam a adequação do sistema de proteção às condições operacionais impostas pela geração distribuída. Dentre os aspectos considerados incluem-se a alocação, a seletividade e a coordenação dos dispositivos de proteção. A alocação de chaves de manobras para reconfiguração do alimentador é a estratégia adotada para maximizar o efeito positivo da geração distribuída sobre a confiabilidade. As soluções dos modelos definem os locais de instalação dos dispositivos de proteção e manobras, e os ajustes dos religadores de forma independente para as unidades de fase e terra. A minimização simultânea dos indicadores é formulada como um problema de Programação Linear Inteira Mista por Metas, visando o balanço ótimo entre a redução das interrupções momentâneas e sustentadas nos sistemas de distribuição. Os modelos analíticos dos indicadores são solucionados utilizando um pacote de otimização de uso geral, baseado no método de Branch-and-Bound. A metodologia é avaliada a partir de um estudo de caso, considerando níveis crescentes de penetração da geração distribuída em um alimentador de distribuição real. Os modelos matemáticos são aplicados em cenários distintos de operação do sistema, associados à diferentes restrições econômicas. Os resultados possibilitam a avaliação do impacto da geração distribuída no restabelecimento e na proteção do sistema de forma independente. / The increasing automation of industrial processes and the sensitivity of electronic loads have required high levels of power distribution system’s reliability. In this scenario, the widespread use of distributed generators connected near the loads shows the emergence of a new paradigm in electric energy production and application. However, many problems arise from the fact that the distribution systems were not designed to deal with power generating units. The complete control and protection strategy is defined under the assumption of radial power flow. One of the most immediate conflicts that arise with the penetration of distributed generation is related to the protection system, a result of the change in fault currents magnitude. Some consequences are loss of protection coordination and sensitivity. By addressing these problems, distributed generation has the potential to have a positive impact on distribution reliability, especially in supporting load restoration during system’s contingencies. Considering these factors, the proposed methodology uses a multi-criteria approach to optimize the overall performance of distribution systems in the presence of distributed generation. The reliability indices SAIDI, SAIFI and MAIFI are formulated as optimization models that allow adequacy of the protection system in relation to the operating conditions imposed by distributed generation. The aspects considered include the allocation, selectivity and coordination of protective devices. The allocation of sectionalizing switches for feeder restoration is the strategy to maximize the positive impact of distributed generation on the system reliability. The model solutions provide the protective devices and switches locations, as well as reclosers’ settings for phase and ground units, independently. Reliability indices minimization is formulated as a Mixed Integer Linear Goal Programming problem, in order to establish the optimal trade-off between reducing momentary and sustained interruptions in distribution systems. The analytical models are solved using a general-use optimization package based on the Branch-and-Bound method. The methodology is evaluated through a case study considering increasing levels of distributed generation penetration on a real distribution feeder. The proposed mathematical models are applied in different scenarios of system operation and under different economic constraints. The results allow the evaluation of the impact of distributed generation on restoration and protection of the test system.