[pt] Após a incidência de inúmeros colapsos ocorridos nos sistemas de transmissão de energia devido ao uso extremo das linhas de transmissão, a estabilidade, ou mais adequadamente, a segurança de tensão tornou-se um assunto importante os últimos anos. A correta representação de cargas e de dispositivos de controle de tensão é cada vez mais importante na análise de segurança de tensão do sistema elétrico, em função da sua complexidade crescente e da necessidade de ações operativas mais precisas. A avaliação das condições de segurança de tensão é realizada com base em um modelo linearizado das equações de fluxo de carga, incluindo toda e qualquer equação de controle, e os índices resultantes são calculados a partir de um determinado ponto de operação. Em estudos off-line, este ponto é usualmente proveniente do resultado de um problema de fluxo de carga. É importante que os modelos matemáticos do sistema e seus componentes, de controles e de limites sejam compatíveis nos dois programas computacionais. Estuda-se neste trabalho a modelagem em regime permanente, e a incorporação à função de avaliação da segurança de tensão, de cargas do tipo motor de indução e do controle de tensão por faixa através de capacitores chaveáveis. Aspectos fundamentais da presença de motores de indução e capacitores chaveáveis na avaliação da segurança de tensão são apresentados e discutidos. São mostrados exemplos numéricos de avaliação dos índices de estabilidade de tensão que ilustram a necessidade de uma modelagem realista. / [en] After the incidence of innumerable collapses occurred in the energy transmission systems due to the extreme use of the transmission lines, the voltage stability, or more adequately, the voltage security became an important issue in the last years. The correct representation of loads and voltage control devices is important in the analysis of voltage security of the electrical system, due to its increasing complexity and to the necessity of more accurate and secure operative actions. The voltage security assessment is based on a linear model of the load flow equations, including all and any control equation, and the resulting indexes are calculated for a specified operating point. In off-line studies the operating point is usually obtained from a load flow algorithm. It is important that the system and its components mathematical models, control devices and limits are compatible in both computational programs. This work is concerned with the steady state modelling and its incorporation into the voltage security assessment function, of induction motor type loads and band voltage control by switchable capacitors. Fundamental aspects of induction motors and switchable capacitors in the assessment of voltage security are presented and discussed. Numerical examples of voltage stability assessment indexes are presented to illustrate the necessity of realistic modelling.

Renewable energy is playing an increasingly significant role in power system operation and stability assessment with its numerous penetration expansion. This is not only brought by its uncertain power output and inverter-based equipment structures but also its operation characteristics like Low Voltage Ride Through (LVRT). It is thus necessary to take these characteristics into consideration and further to find more adaptive schemes to implement them for more effective analysis and safer power system operation. All the aforementioned is based on the accurate identification of the system fundamental information. In this dissertation, a systematic approach is proposed to find the valid system model by estimating the transmission line parameters in the system with PMU measurements. The system transient stability assessment is conducted based on this validated model. The constrained stability region is estimated with Lyapunov functions family based method in the center of angles reference frame considering renewables LVRT as operation limits. In order to integrate the LVRT constraints, a polytopic inner approximation mechanism is introduced to linearize and organize the transformed constraints in state space, which brings much scalability to the whole process. From the voltage stability perspective, an approach to adaptively adjust LVRT settings of the renewable energy sources in the system is formulated to guarantee the system load margin and thus the voltage security. A voltage prediction method is introduced for critical renewable energy sources identification. Estimation methods based on interpolation and sensitivities are developed and conducted for saving computation effort brought by continuation power flows. Multiple test cases are studied utilizing the proposed approaches and results are demonstrated. / Doctor of Philosophy / Renewable energy utilization is continuously rising nowadays. They are clean but highly dependent on natural resources, which causes their uncertainty and intermittence in electric power output. The power system, on the other hand, is designed for schedulable and controllable power generators, which make the traditional methods for system operation and analysis of the system stability much less effective facing the trend of renewables integration. In this dissertation, a series of systematic approaches are proposed firstly identify the system parameters for more accurate system modeling through PMU measurements, then to assess the system transient stability considering the renewable energy sources operation limits, and finally to adaptively adjust these operation limit for improving the system voltage security. The operation limits are transferred into the form in terms of system states. Linearization and approximation methods are also introduced to enhance the scalability of the processes. Multiple test cases are studied with the proposed approaches and the results demonstrate their effectiveness and efficiency.

[pt] Esta pesquisa está relacionada à avaliação das condições de estabilidade de tensão em pontos de operação do sistema elétrico. A modelagem de geradores / compensadores síncronos e compensadores estáticos são analisadas. Estabeleceram-se os melhores modelos com controle de tensão ativo e com perda do controle. A questão da adequação do controle de tensão foi tratada através da análise dos elementos da matriz de sensibilidade entre as grandezas controladoras e as tensões controladas. Os índices de estabilidade de tensão foram calculados. Em todos os casos, a perda de controle de tensão tem impacto negativo sobre as condições de estabilidade de tensão. Nos casos com ação de controle inadequada, independe da relação inversa entre grandeza controladora e tensão controlada, um aumento da tensão na barra controlada teve um impacto positivo sobre as condições de estabilidade de tensão, e uma diminuição da tensão na barra controlada teve impacto negativo sobre as condições de estabilidade de tensão. Esse é o resultado esperado também quando a ação de controle é adequada. / [en] This research is related to the evaluation of voltage stability conditions of operating points of the power system. It has been studied the modelling of synchronous generators/synchronous compensators and static var compensators. The best models were established with active voltage control and with loss of control. The issue of voltage control was treated through analysis of the matrix sensitivity elements between the controlling variables and voltages at controlled buses. The voltage stability indexes were evaluated. In all cases, control loss proved to have a negative impact on voltage stability conditions. In cases with inadequate control action, results are non-dependent of the opposed relation between the controlling variable and voltage at controlling bus, an increase on voltage at controlled busbar proved to have a positive impact on voltage stability conditions, and a decrease on voltage at controlled busbar proved to have a negative impact on voltage stability conditions. This is also expected when the control action is appropriate.

[pt] O problema tratado nesta dissertação é a relação oposta entre a tensão de excitação de geradores e compensadores síncronos e a tensão controlada, quando o sistema de transmissão da área encontra-se muito carregado. Neste caso, a capacidade nominal de um gerador / compensador não seria útil para manter a tensão controlada. Devido à relação oposta, uma maior excitação da máquina iria abaixar a tensão controlada. O controle automático iria continuar agindo, abaixando ainda mais a tensão. Este mecanismo pode levar o sistema ao colapso e foi verificado em ponto de operação real do sistema brasileiro. Esse fenômeno ocorre quando a injeção de potência na rede de transmissão ou distribuição é elevada. Com o advento da geração distribuída, co-geração e produtores independentes, usualmente conectados à rede existente em níveis de tensão mais baixas, têm-se observado ocorrências do fenômeno. O objetivo do trabalho é então entender melhor as situações operativas reais que levam à ocorrência do fenômeno, principalmente quando existem vários equipamentos de controle de tensão ao redor do gerador em análise. A abordagem do problema baseou-se na verificação do comportamento do gerador / compensador como dispositivo de controle de tensão, no domínio do tempo e em regime permanente. Avaliaram-se as ações de controle do mesmo a partir de sete tipos de análise distintas para pontos de operação na região normal e anormal da curva SV. A real existência do fenômeno foi comprovada através de algumas destas análises. Porém, conclui-se que nem todas as formas de análise no domínio do tempo fazem uma avaliação completa do fenômeno. Dentre essas, estão a análise dinâmica agregada e a análise dinâmica agregada sob influência dos equipamentos de controle de tensão, que para pontos de operação na região anormal da curva SV não responderam em concordância com os outros tipos de análise. / [en] The problem addressed in this research is the opposite relationship between the , synchronous generator / compensator excitation voltage and the controlled voltage when nearby network is heavily loaded. In this situation, the nominal capacity of a generator / compensator would not keep the voltage controlled. Due to the opposite relationship, the higher the excitation voltage the lower is the controlled voltage. So, the automatic control would continue acting lowering the voltage. This mechanism, verified in a real operational point of the Brazilian Electric System, can lead the system to collapse. This phenomenon occurs when the power injection into the network is high. It is prone to occur in the new scenario of distributed generation connected to already existing low voltage networks. The objective of this work is to understand the actual operative situations that lead to the occurrence of the phenomenon, mainly when there are several voltage control devices nearby the generator. The analysis of the problem was based on the verification of the generator behaviour as a voltage control device, in time domain simulation and in steady state. The control actions were evaluated from seven different ways for operating points in the normal and the abnormal region of the SV curve. The actual existence of the phenomenon was proven through some of these analyses. However, some of the time domain simulations did not evaluated the phenomenon completely. Among them, the aggregated dynamic analysis and the aggregated dynamic analysis under influence of other voltage control devices have not got the expected responses for the abnormal region of the SV curve, in comparison with other analysis.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-03-21T17:50:55Z No. of bitstreams: 1 thiagoresendedealmeida.pdf: 4974622 bytes, checksum: 0f8c86117d7625e1546498cd6c17f367 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-04-24T02:16:26Z (GMT) No. of bitstreams: 1 thiagoresendedealmeida.pdf: 4974622 bytes, checksum: 0f8c86117d7625e1546498cd6c17f367 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-24T02:16:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thiagoresendedealmeida.pdf: 4974622 bytes, checksum: 0f8c86117d7625e1546498cd6c17f367 (MD5) Previous issue date: 2013-10-30 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O principal objetivo deste trabalho é avaliar a influência da variação dos parâmetros da rede elétrica em função da frequência do sistema em estudos relacionados à avaliação da segurança de tensão de Sistemas Elétricos de Potência (SEP). Neste sentido, é proposta uma alteração na formulação denominada Fluxo de Potência com Regulação Primária. Tal formulação representa uma modelagem alternativa do problema de Fluxo de Potência, onde a frequência do sistema pode ser estimada com precisão satisfatória. É importante destacar que a metodologia proposta neste trabalho mantém a formulação full Newton do problema. A partir deste contexto são consideradas as variações dos parâmetros da rede, tais como shunts de barra, shunts de linha e o modelo de Linhas de Transmissão e Transformadores, tornando estes parâmetros dependentes com os desvios de frequência do sistema. É também realizada uma avaliação das cargas tipo motor de indução. Assim como os parâmetros da rede, os parâmetros do motor de indução são modificados de acordo com os desvios de frequência do sistema. Em seguida são desenvolvidos estudos de avaliação da segurança de tensão a partir do desenvolvimento e implementação de um Fluxo de Potência Continuado modificado e de uma formulação alternativa do problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO). A partir dessas ferramentas é possível avaliar a variação da frequência do sistema em função do aumento do seu carregamento. Também são feitas análises a partir dos autovalores da matriz Jacobiana do método proposto. Finalmente são utilizados cinco sistemas de pequeno e médio portes para a validação da metodologia proposta. Além de dois sistemas tutoriais de pequeno porte, é utilizado o sistema 16 Barras, que é um sistema criado a partir de dados reais e condições operativas encontradas no Sistema Interligado Nacional (SIN), os sistemas New England e IEEE-118 Barras, que são sistemas testes normalmente utilizados na literatura. O programa ANATEM, desenvolvido pelo CEPEL, é utilizado de forma a validar os desenvolvimentos realizados neste trabalho. / The main objective of this work is to evaluate the influence of varying the network parameters depending on the system frequency in studies related to the voltage security assessment of Electric Power Systems. In this sense, it is proposed a modification in the formulation of the called Governor Power Flow. Such formulation represents an alternative modeling of the power flow problem, where the system frequency can be estimated with satisfactory accuracy. It is important to highlight that in this work the proposed methodology retains full Newton formulation of the problem. From this context it is considered variations of the network parameters, such as shunt devices (capacitors and reactors) and equivalent models of transmission lines and transformers, making them dependent parameters with frequency system. It is also studied the induction motor modeling. As the network parameters, the parameters of the induction motor are modified according to the deviation of system frequency. Then voltage security assessment studies are carried out through the development and implementation of a Modified Continuation Power Flow and an Optimal Power Flow. Using these tools it is possible to evaluate the system frequency variation due to the increase of the system loading. Analyzes are also made using the eigenvalues of the Jacobian matrix associated with the proposed methodology. Finally six systems of small and medium scale are used in validation process of the proposed methodology. In addition to two tutorials small systems are used a 16 buses test system, which is created from real data and operating conditions found in the Interconnected Brazilian System, the well know New England system and the IEEE-118 buses test systems, which are systems commonly used in the literature. The ANATEM program, developed by CEPEL, is used to validate the developments made in this work.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-07-21T13:36:30Z No. of bitstreams: 1 felipedecastrobrumalmeida.pdf: 1845415 bytes, checksum: 51a0b14098a88f1127e6d6291d69e2f7 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-07-22T15:30:27Z (GMT) No. of bitstreams: 1 felipedecastrobrumalmeida.pdf: 1845415 bytes, checksum: 51a0b14098a88f1127e6d6291d69e2f7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-22T15:30:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 felipedecastrobrumalmeida.pdf: 1845415 bytes, checksum: 51a0b14098a88f1127e6d6291d69e2f7 (MD5) Previous issue date: 2011-03-29 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho tem por objetivo principal a avaliação do desempenho de dispositivos de controle e da modelagem da carga a partir de Regiões de Segurança Estática. Trata-se de uma importante ferramenta para avaliação da segurança de sistemas elétricos de potência, utilizadas tanto em ambiente off-line de planejamento da expansão e operação, quanto em tempo real nos centros de controle e operação (sistemas on-line VSA). Estas regiões são obtidas através de sucessivas soluções de casos de fluxo de potência e seu objetivo principal é verificar as condições de atendimento a carga (mercado) a partir de diversas condições de despacho da geração. Inicialmente, portanto, é apresentado de forma detalhada o processo de construção das Regiões de Segurança Estática, bem como os principais aspectos construtivos e considerações relevantes que podem influenciar de forma significativa a análise do desempenho do sistema. Com este objetivo, foi desenvolvido um programa para construção automática das Regiões de Segurança Estática na plataforma MatLab®. Um ambiente de processamento paralelo, intrínseco ao próprio MatLab®, foi utilizado com o intuito de aprimorar o desempenho computacional, o que permite a avaliação tanto de sistemas de pequeno porte, de valor tutorial, quanto de sistemas de médio/grande porte. Numa segunda etapa, este trabalho objetiva avaliar o desempenho de importantes dispositivos de controle e modelagem de carga a partir da construção automática das Regiões de Segurança. Os dispositivos de controle avaliados são: (i) Controle Remoto de Tensão; (ii) Controle de Tensão por Bancos Shunt Chaveados Automaticamente; (iii) Controle Automático de Tensão por Transformadores tipo LTC (Load Tap Changer); (iv) Controle Secundário de Tensão. A influência da modelagem da carga na avaliação da segurança do sistema é investigada a partir dos modelos ZIP e motor de indução. Os resultados obtidos demonstram que a representação de dispositivos de controle e da modelagem da carga podem influenciar significativamente as Regiões de Segurança Estática de sistemas elétricos de potência. / The main objective of this work is to evaluate the performance of control devices and load modelling through Static Security Regions. This is an important tool for security assessment of electric power systems, which can be used for both the operating environment (on-line systems VSA) and planning studies. These regions are obtained through successive power flow solutions and its main objective is to verify the steady-state security conditions from different configurations of generation dispatch for a given constant demand. Initially, the construction process of the Static Security Regions, as well as the key aspects of the construction and relevant considerations that may significantly impact the analysis of the system performance, is presented in detail. In this sense, a program for automatic construction of the Static Security Regions have been developed using the MatLab® platform. An intrinsic parallel processing environment was used to improve the computational performance, which allowed the evaluation of a small tutorial system and medium/large scale systems. As a second step, this work proposes the evaluation of the impact of important control devices and load modelling on the Static Security Regions construction. The control devices investigated are: (i) Remote Voltage Control; (ii) Shunt Devices with Automatic and Discrete Switching; (iii) Voltage Control by Automatic Load Tap Changing (LTC) Transformers; (iv) Secondary Voltage Control. The impact of load modelling is investigated through ZIP and induction motors models. The results obtained indicated that the representation of control devices and load modelling may significantly impact the Static Security Regions of the electrical power systems.

[pt] O fenômeno de estabilidade de tensão é um problema associado ao fluxo de potência ativa e reativa nas linhas de transmissão. A manifestação mais conhecida do fenômeno é a existência de uma máxima carga que pode ser alimentada pela rede. Assim, é importante conhecer a proximidade ao ponto de máximo carregamento da rede de transmissão. Nesta dissertação foram estudados métodos existentes na literatura para determinar o ramo de transmissão mais carregado, foi avaliada a veracidade dos resultados obtidos quando são estudados os ramos de transmissão individualmente e, finalmente, foi apresentada uma alternativa para identificar o ramo de transmissão mais carregado observando as variações dos índices de estabilidade de tensão em cada ramo. Mostrou-se que é inadequada a avaliação de cada linha individualmente em um sistema multi-nó. / [en] The voltage stability phenomenon is a problem related with the flow of active and reactive power in transmission lines. The main characteristic of this phenomenon is the existence of a maximum load that can be supplied by the network. Therefore, did the importance of knowing the proximity to the point of maximum loading of the transmission network. In this dissertation, the existing methods in the literature for determining the most heavily loaded transmission branch were studied, was assessed the accuracy of the results obtained when the transmission branches are studying individually, and finally was displayed an alternative to identify the most heavily loaded transmission branch observing variations in voltage stability indices in each branch. It has been shown that it is inappropriate to evaluate each line individually in a multi-node system.

[pt] O fenômeno de estabilidade de tensão é um problema associado ao fluxo de potência ativa e reativa nas linhas de transmissão. A manifestação mais conhecida do fenômeno é a existência de uma máxima carga que pode ser alimentada pela rede, mas, atualmente também se sabe da existência de uma máxima injeção de potência ativa e reativa na rede por geradores e compensadores. É apresentado um método para avaliar as condições de carregamento da rede e detectar barras críticas. Identifica-se a sub-rede utilizada para transmitir potência ativa de ou para a barra critica, determinam-se os caminhos de transmissão que a compõem e identifica-se o ramo crítico do caminho mais carregado. É o ramo a ter seu fluxo de potência diminuído. Nesta dissertação foi proposta a determinação da sub-rede quando a barra em análise é de tensão controlada por compensador. Além disso, foram propostas modificações no método existente: injeção de potência ao invés de admitância equivalente no isolamento da sub-rede e dos caminhos de transmissão, e índices de estabilidade ao invés de fórmulas analíticas na determinação do caminho mais carregado e do ramo crítico. / [en] The voltage stability phenomenon is a problem related with the flow of active and reactive power in transmission lines. The main characteristic of this phenomenon is the existence of a maximum load that can be supplied by the network, but actually it is also known the existence of a maximum active and reactive power injection at the network supplied by generators and compensators. In this dissertation, a method is presented to evaluate the conditions of the network loadability and the critical buses identification. The network used to transmit the active power from or to a critical bus and its transmissions lines are identified, and identify the critical branch of the most loaded transmission path. This critical branch will have its power flow reduced. In this dissertation, is proposed the determination of the sub-transmission network when the bus under analysis has its voltage controlled by compensator. Furthermore, were proposed modifications to the current method: power injection rather than equivalent admittance in isolation of the sub-transmission network and the transmission paths and also, using voltage stability indexes rather than using analytical formulas to determine the most loaded path and critical branch.

[pt] Após a incidência de inúmeros colapsos de tensão em sistemas elétricos de potência por todo o mundo, a segurança de tensão tornou-se um assunto de extrema importância. O fenômeno de estabilidade de tensão deve-se à operação do sistema com carregamento elevado e se manifesta pela existência de uma máxima transferência de potência pela rede e ações de controle de tensão tendo efeito oposto ao usual. Com o aumento da inserção de geração distribuída, usualmente conectada à rede de distribuição existente e em tensões mais baixas, a possibilidade de ocorrência do fenômeno precisa ser investigada. É demonstrada a possibilidade de ocorrência em barras com geradores ou compensadores síncronos, onde a máxima potência gerada poderia estar limitada e o controle de tensão poderia ter o efeito oposto ao esperado. É apresentado o ferramental utilizado na avaliação das condições de estabilidade de tensão composto de índices com significado físico e matemático. Estabeleceu-se um procedimento para realizar simulações nos sistemas-teste IEEE 34 Barras e 70 Barras. É analisado o impacto do gerador nas condições de estabilidade de tensão, no perfil de tensão em regime permanente e nas perdas de potência ativa. Concluiu-se que, nos testes realizados, a injeção de potência ativa pelo gerador foi limitada por tensões fora da faixa permitida e não por problemas de estabilidade de tensão. / [en] After several incidence of voltage collapse in electric power systems around the world, the voltage security has become a matter of utmost importance. The phenomenon of voltage stability is due to the operation of the system with high loading and is manifested by the existence of a maximum power transfer over the network and efforts to control voltage having the opposite effect than usual. With increased integration of distributed generation, usually connected to the existing distribution network at lower voltages, the possibility of occurrence of the phenomenon should be investigated. It is demonstrated the possibility of occurrence in buses of synchronous generators or synchronous condensers, where the maximum generated power could be limited and the voltage control could have the opposite effect. It presented the tools used in assessing the conditions of voltage stability composite indexes with physical and mathematical meaning. I was established a procedure for performing simulations on IEEE 34 bus and 70 bus test systems. It analyzed the impact of the generator under the conditions of voltage stability, voltage profile in the steady state and the power losses. It was concluded that, in tests, the injection of active power from the generator was limited by voltage out of range allowed and not by voltage stability problems.