[pt] A falta de recursos e a questão ecológica têm limitado a expansão do sistema de transmissão. Esta realidade, em conjunto com o crescimento da carga, faz com que os sistemas elétricos trabalhem bastante carregados. Esta nova condição pode levar a situações de colapso de tensão. Métodos para avaliação do carregamento da rede de transmissão tornaram-se necessários e imprescindíveis para que se possa entender o funcionamento do sistema nestas condições e possibilitar a sua operação de modo correto. Ferramentas analíticas têm sido usadas para reforço das condições de segurança de tensão do sistema em tempo real, se for avaliado que o sistema não é suficientemente seguro. Ações operativas de controle são determinadas, para mover o estado do sistema para um ponto de operação seguro. Entretanto, ferramentas de avaliação e reforço não são a única necessidade. As mesmas ações de controle, que podem afastar o sistema de uma situação de instabilidade de tensão, também podem ter efeito oposto ao esperado e contribuir para o problema, podendo até mesmo levar o sistema ao colapso. Portanto, é necessário o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para avaliar a adequação de ações de controle de tensão. Neste trabalho é proposta uma ferramenta computacional, desenvolvida com base no sistema linearizado das equações de fluxo de carga, incluindo equações de controle de tensão e limites, para a avaliação do efeito das ações de controle de tensão. São obtidos índices que permitem avaliar se a ação de controle é adequada ou não. Além disso, esses índices podem avaliar a interdependência entre os controles, porque além de indicarem o efeito do controle sobre a tensão da barra controlada, podem indicar também o efeito do controle sobre as outras barras de tensão controlada do sistema. Estes índices podem ser obtidos de forma extremamente rápida, e são adequados para uso em tempo-real. / [en] The lack of investments and the ecological matter have limited the expansion of the transmission system. This reality, together with the load growth, makes the electric systems to work heavy loaded. This new condition can lead to situations of voltage collapse. Methods for evaluation the transmission network loading became necessary and indispensable for understanding system performance under these conditions and for making possible secure operation. Analytic tools have been used to evaluate the voltage security of the system in real time. If it is evaluated that the system is not sufficiently secure in relation to voltage, control actions can be determined, in order to move the state of the system for a secure operation point. However, these tools are not the only need. The same control actions that can move away the system from a situation of voltage instability, can also have opposite effect and contribute for worsening the problem, perhaps leading to system collapse. Therefore, it is necessary the development of computational tools to evaluate the adequacy of these control actions. In this work it is proposed a computational tool, based on the linearized set of power flow equations, including equations for voltage control and limits, for the evaluation of the effect voltage control actions. Indexes that allow the evaluation whether the control action is adequate or not are obtained. The indexes can also evaluate the interdependence among the controls, because besides indicating the effect of the control action on the voltage of the controlled bus, they can also indicate the effect on the other voltage controlled buses. The indexes can be calculated in an extremely fast way, and are appropriate for use in real-time operation.

[pt] O tema abordado neste trabalho é a observação e análise, em regime permanente e dinâmico, da ocorrência de um fenômeno que já foi observado em condições reais de operação do sistema elétrico brasileiro, que é a relação oposta entre a tensão de excitação de geradores e compensadores síncronos e a tensão controlada. Nessas situações, a capacidade nominal de um gerador / compensador síncrono, por exemplo, não seria útil para manter a tensão controlada. Em virtude da relação oposta, um aumento na excitação da máquina abaixaria a tensão controlada. O controle automático continuaria agindo, abaixando ainda mais a tensão. Este mecanismo pode levar o sistema ao colapso. A abordagem do problema baseou-se na verificação do comportamento do gerador / compensador como dispositivo de controle de tensão, em regime permanente e dinâmico, ante as diversas situações normais de um sistema elétrico, tais como variações do valor da tensão de referência (tensão controlada) e de carga. A análise em regime permanente utilizou um algoritmo de fluxo de carga, enquanto a análise em regime dinâmico utilizou a simulação no domínio do tempo. A real existência do fenômeno foi comprovada através de várias destas análises, mostrando inclusive a mudança da região de operação em algumas delas. Em outros casos, os resultados da análise em regime permanente não coincidiram com os da análise em regime dinâmico. / [en] The aim of this work is to investigate, in steady state and dynamic performance, the phenomenon of the opposite relationship, already observed at real operation conditions of the Brazilian Electric System, between generators and synchronous compensators excitation voltage and the controlled one. In these situations, the generator / synchronous compensator nominal capacity, for example, would not be useful to keep the voltage controlled. Due the opposite relationship, an increase in the excitation voltage would reduce the controlled voltage. The automatic control would keep acting and reducing more the voltage. This mechanism can lead the system to the collapse. The study of this problem was based in the generator / compensator behavior as a control voltage device, in steady- state and dynamic performance, front of several operation situations of electric power system, like reference voltage (controlled voltage) variation and load changing. The steady state analysis used a load flow algorithm, while the time domain simulation was utilized for the dynamic performance analysis. The real existence of the phenomenon was verified through these analyses, emphasizing the operation region changing in some of them. In other cases, the analyses results in the steady-state were different of the dynamic performance results.

[pt] As curvas de capacidade de geração de potência reativa fornecidas pelos fabricantes são elaboradas em função dos parâmetros de projeto do gerador, e geralmente não consideram as condições de operação da planta e do sistema como fatores limitantes. É sabido que as condições de operação da planta, tais como tensões nominais do terminal do gerador e das barras auxiliares, valores limites dos reguladores de tensão, potência máxima da turbina e dispositivos de limitação e proteção de sub e sobreexcitação podem ser fatores limitantes da capacidade de geração e absorção de potência reativa. Neste trabalho foi elaborado um método e desenvolvida uma ferramenta computacional para identificar a curva de capacidade real de geração de potência reativa para qualquer ponto de operação. Este trabalho pode ser estendido para qualquer gerador, conhecidas as características da usina. Nos estudos de caso apresentados pôde-se verificar que é possível ampliar a capacidade de geração reativa da usina apenas conhecendo seus reais limites, não necessitando portanto, de grandes investimentos para o aumento dessa capacidade. / [en] They show that different generator loads produce greater heating in different parts of generator. A method is described and a software is presented to evaluate the actual reactive power capability curve considering the operating condition.This paper shows that it is possible to enlarge the reactive power capability only by knowing the actual capability limitations, without raising costs and keeping operation safe.It is important to the generator agent to know its capabilities if it is desidered to provide reactive support as an ancillary service in the new competitive environment.

[pt] O problema da estabilidade de tensão está associado à máxima injeção de potência em barras da rede e à possibilidade do controle de tensão ter o efeito oposto ao esperado. Alguns casos reais de blecaute, caracterizados por afundamento de tensão, sugerem que os procedimentos normais para o controle de tensão do sistema podem agravar ainda mais o problema. Isso ocorreria porque, em determinadas situações especiais, caracterizadas pela relação inversa entre as variáveis de controle dos equipamentos, as ações de controle teriam o efeito oposto ao esperado da sua lógica de projeto. Esta afirmação é baseada no critério de estabilidade de tensão a pequenas perturbações que diz: Dada uma condição de operação para cada barra no sistema, o sistema é estável caso o módulo da tensão na barra aumente à medida que a injeção de potência reativa nessa mesma barra é aumentada. Um sistema é instável se, para pelo menos uma barra no sistema, o módulo de tensão da barra diminui conforme a injeção de potência reativa nessa barra é aumentada. Adicionalmente, o critério da curva 𝑉𝑄 diz: Uma vez que todos os dispositivos de controle de potência reativa são projetados para funcionar satisfatoriamente quando um aumento em 𝑄 é acompanhado por um aumento em 𝑉, a operação do lado direito das curvas 𝑉𝑄 é estável e do lado esquerdo é instável. Além disso, a parte inferior da curva 𝑉𝑄 representa o limite de estabilidade e define o valor de potência reativa mínimo para uma operação estável. Esse efeito não esperado do controle poderia causar tensões excessivamente baixas (ou altas) para a operação normal do sistema e provocar consequências indesejáveis. Visto isso, esse trabalho tem como principal objetivo investigar, no domínio do tempo, o efeito das ações de controle de tensão em pontos onde as variáveis de controle dos equipamentos apresentam relação inversa e, assim, validar (ou não) os resultados estimados pelos métodos baseados em análise estática como, por exemplo, os critérios de estabilidade de tensão a pequenas perturbações e da curva 𝑉𝑄. As simulações dinâmicas mostram que a análise estática não pode ser aplicada a todos os tipos de equipamentos que controlam a tensão. Outra possível causa do problema da estabilidade de tensão está relacionada à atuação de limitadores de sobre-excitação de máquinas síncronas e, por esta razão, é proposto um método para identificar as máquinas propensas a atingir o limite de sobre-excitação em estudos de regime permanente. No entanto, a atuação desses limitadores, na grande maioria das vezes, não apresenta efeito prejudicial na estabilidade do sistema e, por isto, também é proposto um critério que aponta a iminente perda da estabilidade devido à atuação dos limitadores. Este critério pode ser útil na concepção de esquemas automáticos de rejeição de carga, a fim de impedir a perda de estabilidade, e ele também pode ser utilizado em avaliações de segurança online para alertar sobre possíveis riscos de instabilidade e, consequentemente, para indicar ações preventivas. / [en] The voltage stability problem is associated with the maximum power injection in the network and the possibility of the voltage control having the opposite effect. Some real cases of blackouts characterized by voltage decays suggest that normal procedures for automatic voltage control can adversely affect the voltage level in the system. This may have been because in special situations, characterized by an inverse relationship between the controls variables in the devices used to control the system voltage, the automatic voltage control can have the opposite effect to that expected based on the design logic. This statement is based on the criterion for small-disturbance voltage stability: At a given operating condition for every bus in the system, a system is voltage-stable if the bus voltage magnitude increases as the reactive power injection at the same bus is increased. A system is voltage-unstable if, for at least one bus in the system, the bus voltage magnitude decreases as the reactive power injection at the same bus is increased. In addition, it is based on the 𝑉𝑄 curve criterion: Since all reactive power control devices are designed to operate satisfactorily when an increase in 𝑄 is accompanied by an increase in 𝑉, operation on the right side of the 𝑉𝑄 is stable and on the left side is unstable. Besides, the bottom of the 𝑉𝑄 curve represents the stability limit and defines the minimum reactive power requirement for stable operation. The unexpected control effect could produce excessively low (or high) voltages for normal system operation and cause undesirable consequences. In light of this, the present work seeks to analyze in the time domain the effects of device control actions starting from points where the control variables are inversely related and validated (or not) the results estimated by methods based on static analysis, for example, the criterion for small-disturbance voltage stability and 𝑉𝑄 curve. Dynamic simulations show that static analysis cannot be applied to all types of devices used to control the voltage. Another possible cause of the voltage stability problem is the action of overexcitation limiters. For this reason, it is proposed a way for identifying the machines that have a chance to hit the overexcitation limit in static analysis studies. However, in most cases, the action of these limiters has no detrimental effect on system stability and, therefore, it is also proposed a criterion that identifies the imminent loss of stability due to these limiters. This criterion may be useful in design of load shedding schemes, in order to prevent loss of stability, and can be used for online security assessment, warning for instability and indicating preventive actions.

[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.

[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.

[pt] O incremento de geração fotovoltaica de grande porte traz consideráveis mudanças nas características operativas e dinâmicas do sistema quando este é submetido a grandes distúrbios. Um dos problemas técnicos mais relevantes é a estabilidade transitória, já que a geração intermitente ligada ao sistema por conversores eletrônicos não contribui para o aumento da inércia total do sistema. Entretanto, os conversores eletrônicos podem, potencialmente, trazer novas oportunidades de controle rápido para dar suporte aos geradores síncronos em resposta a um distúrbio severo. No presente trabalho propõe uma estratégia de controle para inversores fotovoltaicos baseado na injeção da corrente com um grande impacto na resposta transitória do ângulo do rotor da máquina síncrona, identificada através da análise de sensibilidade dos autovalores e dos fatores de participação. Ao fazer isso, é possível aumentar a potência ativa da máquina síncrona próximo do seu valor pré-falta, reduzindo o desequilíbrio entre o torque elétrico e mecânico. A estratégia de controle proposta foi testada experimentalmente, utilizando um inversor e uma montagem máquina síncrona-motor e, através da simulação de um sistema híbrido com um sistema fotovoltaico de grande porte. Os resultados mostram que a estratégia de controle proposta não está apenas em conformidade com os requisitos dos código da rede para melhorar a estabilidade da tensão durante uma perturbação grave, mas também é capaz de manter a estabilidade transitória da rede provando, assim, ser uma melhor alternativa em relação à capacidade FRT requerida pelos códigos de rede. / [en] The increase in photovoltaic generation has caused changes in the power system s operative and dynamic characteristics when subjected to severe disturbances. One of the most relevant problems associated with this renewable energy source is the transient stability, as renewable generation connected to the system by electronic converters does not contrinute to the increase of the total inertia of the system. However, electronic converters can potentially bring new opportunities for rapid control to support synchronous generators in response to severe disturbance. The present work proposes a control strategy for photovoltaic inverters based on the injection of the current with a major impact on the transient response of the synchronous machine rotor angle, identified through the eigenvalue sensitivity analysis and the participation factors. By doing so, it is possible to increase the synchronous machine active power output close to its pre-fault value, reducing the disequilibrium between mechanical and electrical torque. The proposed control strategy was experimentally tested using an inverter and a synchronous-motor machine assembly and, by simulating a hybrid system with a large photovoltaic system. The results show that the proposed control strategy not only conforms to the grid codes requirements to improve voltage stability during a severe disturbance, but is also able to maintain transient stability thus proving to be a better alternative to the FRT capability required by the grid codes.