[pt] A constante busca pelo desenvolvimento sustentável, com o uso de fontes de energia limpa e renováveis, tem fomentado o crescimento da energia eólica no cenário mundial. Como resultado, a produção de energia elétrica por meio de aerogeradores atingiu um estágio de maturidade que a coloca como participante da matriz energética em vários países onde esse recurso natural é disponível, com projeção para vir a ter participação expressiva na matriz energética mundial nas próximas décadas. A integração de grandes usinas/parques de energia eólica ao sistema elétrico tem despertado preocupações em relação a seus impactos sobre questões de controle/estabilidade de frequência, visto que os parques eólicos com gerador de indução com dupla alimentação (DFIG) e turbinas com conversor de potência não contribuem para a inércia do sistema. Como resultado disso, a substituição de unidades geradoras convencionais por fazendas eólicas resulta na redução do momento total de inércia, acarretando uma deterioração da qualidade da frequência frente a grandes distúrbios no SIN. A indústria de energia eólica desenvolveu um controlador para permitir a resposta inercial em geradores de turbinas eólicas, chamada de Inércia Sintética. Logo, o objetivo principal deste trabalho é descobrir o impacto da integração da energia eólica na estabilidade/manutenção da frequência do sistema e avaliar os efeitos da emulação de inércia em turbinas eólicas com base em conversores de potência e seu impacto no momento de inércia total do sistema após a ocorrência de distúrbios de frequência. / [en] The constant pursuit of sustainable development through the use of clean and renewable energy sources has fostered the growth of wind energy on the world stage. As a result, the production of electric energy through wind turbines reached a maturity stage that places it as a participant in the energy matrix in several countries where this natural resource is available, with a projection to have a significant participation in the world energy matrix in the coming decades. The integration of large wind power plants and wind farms into the electricity system has raised concerns about their impacts on frequency control and stability issues, as wind farms with doubly-fed induction generator (DFIG) engines and turbines with power converters do not contribute to system Inertia. As a result, the replacement of conventional generating units by wind farms results in the reduction of the total moment of inertia, causing a deterioration of the quality of the frequency in front of major disturbances in the SIN. The wind power industry has developed a controller to allow inertial response in wind turbine generators, called Synthetic Inertia. Therefore, the main objective of this work is to discover the impact of integrating wind energy into the stability / maintenance of the frequency of the system and to evaluate the effects of the inertia emulation in wind turbines based on power converters and their impact at the moment of total inertia of the System after the occurrence of frequency disturbances.

[pt] O aumento da penetração de fontes de energia intermitentes é uma realidade dentro da matriz energética brasileira. A utilização em larga escala de energia renovável diminui a flexibilidade operativa com a redução da inércia equivalente sincronizada no sistema, podendo colocar em risco a segurança e a qualidade do suprimento de energia dos sistemas elétricos de potência com a diminuição da capacidade de regulação de frequência. Com expectativas de crescimento acentuado, surgem os dispositivos de armazenamento de energia (Energy Storage Devices – ESD) como uma alternativa viável para contornar essas dificuldades, principalmente quando se trata de um sistema de potência isolado. Nesta dissertação, avalia-se o comportamento dinâmico do sistema elétrico do estado de Roraima, através de uma metodologia desenvolvida para quantificar a penetração de energia renovável intermitente em sistemas isolados. Avalia-se também como a utilização de dispositivos de armazenamento de energia podem contribuir para o controle de frequência, observando as vantagens que tais dispositivos podem acarretar nesse sistema. A construção do Mapa de Decisão pode auxiliar as análises tanto na etapa de planejamento como na fase de programação e operação dos sistemas. Nas simulações realizadas foi possível constatar que a utilização de ESD pode promover um aumento significativo na penetração de usinas renováveis intermitentes, como eólica e solar fotovoltaica, em sistemas de potência isolados / [en] The increase in the penetration of intermittent energy sources is a reality within the Brazilian energy matrix. The large-scale use of renewable energy decreases the operational flexibility with the reduction of the equivalent inertia synchronized in the system, which can endanger the safety and quality of the energy supply of electric power systems with the reduction of the frequency regulation capacity. With expectations of sharp growth, energy storage devices (ESD) appear as a feasible alternative to overcome these difficulties, particularly when it comes to an isolated power network. In this dissertation, the dynamic assessment of the electrical system of the state of Roraima is evaluated, using a methodology developed to quantify the penetration of intermittent renewable energy in isolated systems. It is also evaluated how the use of energy storage devices can contribute to frequency control, observing the advantages that such devices can bring to this system. The construction of the Decision Map can assist the analyses during the planning, programming and operation phases. In the simulations carried out, it was possible to verify that the use of ESD can promote a significant increase in the penetration of intermittent renewable plants, such as wind and solar photovoltaic, in isolated power systems.

[pt] Os sistemas elétricos de grande porte estiveram sempre fortemente associados à utilização de máquinas síncronas para a geração de energia e atendimento às cargas, tendo como outros benefícios, a possibilidade de prover o controle dinâmico do perfil de tensão da rede e a regulação da frequência elétrica. Em relação ao controle da frequência, as máquinas síncronas agregam resposta inercial, ou seja, convertem em energia elétrica parte da energia cinética armazenada em seus rotores, e vice-versa, sempre que caracterizado um desequilíbrio entre carga e geração. Este comportamento determina as taxas iniciais de variação da frequência elétrica (RoCoF – Rate of Change of Frequency), as quais podem ser definidas principalmente por dois fatores: a magnitude do desbalanço de potência ativa e a inércia global do sistema, sendo esse último dependente do número de geradores sincronizados e da inércia de cada gerador. O crescimento cada vez maior na matriz de energia elétrica de usinas eólicas e solares fotovoltaicas, que usualmente conectam-se à rede por meio de conversores eletrônicos e, portanto, não agregam resposta inercial ao sistema, trará impactos na regulação da frequência e nos valores de RoCoF. Nesse cenário, o principal objetivo deste trabalho é apresentar uma análise quantitativa da evolução das taxas de variação da frequência no SIN durante perdas de grandes blocos de geração. Os valores de RoCoF são analisados tanto do ponto de vista global, através da frequência no centro de inércia do sistema, quanto do ponto de vista regional, a partir de barras que representam as regiões do SIN. / [en] Large electrical systems have always been strongly associated with the use of synchronous machines for power generation and load service, with other benefits, possibility of providing dynamic control of the system voltage profile and frequency regulation. Regarding frequency control, synchronous machines aggregate inertial response, i.e., convert part of the kinetic energy stored in their rotors into electrical energy (and vice-versa), whenever there is an imbalance between load and generation. This behavior determines the initial Rate of Change of Frequency (RoCoF), determined mainly by two factors: a magnitude of the active power unbalance and the global inertia of the system, that is dependent on the number of synchronized generators and the inertia of each generator. The increase of wind and solar photovoltaic plants in electrical energy matrix, which are usually connected to the system through inverters and do not aggregate inertial response to the system, will impact on frequency regulation and RoCoF values. In this scenario, the main objective of this thesis is to present a quantitative analysis of the evolution of RoCoF in the Brazilian Electrical System during outages of large generation blocks. RoCoF values are analyzed from a global point of view, through the frequency at the center of inertia of the system, and from a local point of view, through buses that represent the Brazilian Electrical Subsystems.

[pt] Os Sistemas de Energia Elétrica (SEE) operam de acordo com limites de segurança definidos pelo planejamento da operação através de simulações computacionais. Portanto, os componentes da rede elétrica devem ser devidamente modelados para garantir uma operação segura e econômica. A tecnologia dos sistemas de medição fasorial sincronizada permite a obtenção de registros de distúrbios reais, que podem ser comparados com simulações para verificar sua aderência. Tem-se verificado nos atuais SEE diferenças entre os registros e as simulações computacionais dos eventos observados. Tais diferenças têm ocorrido também no Sistema Interligado Nacional (SIN), principalmente em relação ao desvio de frequência, sendo a resposta simulada menos severa quando comparada ao comportamento observado, podendo levar o SIN a operar em um ponto inseguro com risco de atuação de esquemas regionais de alívio de carga. Nesta dissertação são avaliados os modelos de usinas hidráulicas e termoelétricas e os parâmetros que podem influenciar significativamente a resposta das simulações, com ênfase no desempenho da frequência. Distúrbios que ocorreram no SIN são reproduzidos utilizando casos de tempo real, construídos a partir dos dados de estimadores de estado, em conjunto com uma base de modelos dinâmicos. Os resultados das simulações são comparados com os registros reais obtidos pelas PMUs (Phasor Measurement Unit) instaladas no SIN. Parâmetros como altura de queda, resposta dos reguladores de velocidade e modelagem dinâmica e estática das cargas são investigados. Impactos e simulações do fenômeno multi-infeed são apresentados. Os resultados obtidos mostram a necessidade de melhorias nos modelos e nos parâmetros de entrada das simulações de transitórios eletromecânicos do SIN. Ressalta-se a importância da contínua validação sistêmica e específica dos modelos para o planejamento da operação do SIN. / [en] Electric power systems (EPS) operate according to safety limits defined by the operation planning assessed through computer simulations. Therefore, the components of the electrical grid must be properly represented to ensure secure and economical operation. The technology of synchronized phasor measurement systems allows to obtain records of actual faults, which can be compared to simulation results to check their accuracy. Differences between records and computer simulations of the observed events have been verified in the current EPS. Such differences have also occurred in the Brazilian interconnected system (BIS), mainly related to frequency deviations, with the simulated response being less severe when compared to the observed performance. This may lead the BIS to operate under unsafe conditions, with risk of activating regional protection schemes for load shedding; a possible hasty and undesirable action. In this dissertation, the models of hydraulic and thermoelectric power plants and other parameters that can significantly influence the response of simulations are evaluated, with an emphasis on frequency performance. Disturbances that occurred in the BIS are reproduced using real-time cases, built from state estimator data, together with a collection of dynamic models. The simulation results are compared with the actual records obtained by PMUs (Phasor Measurement Units) installed in the BIS. Parameters such as hydropower head, response of speed regulators and dynamic and static modeling of loads are explored. Impacts and simulations of the multi-infeed phenomenon are also presented. The results show the need for improvements in the models and simulation input parameters of electromechanical transient studies of the BIS. There is a continuous need to observe the systemic and specific validation of models for planning and operation of the BIS.

[pt] Centros de operação ao redor do mundo têm verificado o aumento da complexidade ao longo dos anos, principalmente pela grande quantidade de novas informações que devem ser consideradas. No sistema elétrico brasileiro não é diferente, impactado pela participação cada vez mais ativa de fontes renováveis, como eólicas e fotovoltaicas, além de elos de corrente contínua. Seguindo uma tendência global, a consideração de valores de inércia sincronizada para a avaliação do desempenho da frequência e de fluxos sistêmicos se faz necessária, configurando-se como uma nova informação a ser exposta à operação em tempo real. Visando garantir mais segurança e confiabilidade ao ambiente de tempo real, o presente trabalho tem como objetivo traduzir os estudos realizados pela equipe de planejamento do ONS para a operação, através de um sistema capaz de monitorar parâmetros como a inércia sincronizada, reserva de potência operativa e outras informações associadas, ampliando a consciência situacional dos usuários. Além disso, o sistema deve promover simulações de contingências severas que possam provocar atuações de esquemas de corte de carga e indicar ações que possam ser realizadas para mitigar o problema. / [en] Operation centers around the world have verified an increase of the complexity throughout the years, mostly due to huge amounts of new information that must be considered. The Brazilian electric system is no different, impacted by the increasingly active participation of renewable sources, such as wind and photovoltaic, as well as direct current links. Following a global trend, the consideration of values of synchronous inertia for the evaluation of the performance of the frequency is necessary, configuring as a new information to be exposed to real-time operation. With the purpose of guaranteeing more safety and reliability to the real-time environment, this work has the goal of translating the studies carried out by the ONS planning team to the operation, through a system capable of monitoring parameters such as synchronous inertia, operating reserve and other associated informations, increasing users situational awareness. Besides that, the system must promote simulations of severe contingencies that may trigger load shedding schemes and indicate actions that can be taken to soften the problem.