Este trabalho descreve os métodos e os resultados encontrados a partir da implementação de métodos estáticos para análise da estabilidade de tensão em sistemas elétricos de potência. A determinação da margem de estabilidade de tensão foi feita através do cálculo do menor valor singular da matriz jacobiana associada às equações de fluxo de carga, comumente utilizado como índice estático de colapso de tensão. As não linearidades e descontinuidades relatadas nas referências estudadas e encontradas nos testes realizados, levaram-nos a propor o uso da razão entre o menor e o maior valores singulares da mesma matriz jacobiana, na expectativa de que este índice tivesse um comportamento menos instável do que o menor valor singular, o que não foi confirmado nos testes realizados. Identifica-se também as regiões do sistema elétrico mais afetadas pela instabilidade, o que é feito através da determinação da barra crítica do sistema e da classificação das barras de carga em ilhas de controle de tensão. A barra crítica é identificada através do cálculo do vetor tangente do sistema, conforme proposto nas referências citadas no trabalho. Como alternativa ao vetor tangente para a identificação da barra crítica, propôs-se usar o vetor singular à direita associado ao menor valor singular da matriz jacobiana. A comparação da capacidade de identificação da barra crítica por esses dois vetores mostrou uma clara vantagem do uso do vetor tangente. A rotina para identificação das ilhas de controle de tensão foi adaptada a partir de um método desenvolvido para a análise de coerência em barras de carga, e os resultados encontrados foram bastante satisfatórios. Os métodos implementados foram testados em diversas situações, com o objetivo de se analisar os efeitos dos modelos de carga ZIP com elevadas parcelas de impedância constante, dos limitadores de potência reativa dos geradores e da repartição do incremento da carga de potência ativa entre os geradores. / This work describes the methods and results got from the implementation of static methods for power systems voltage stability analisys. The power system voltage stability margin was predicted by the smallest load flow jacobian\'s singular value, commonly used as a prediction index to voltage stability. lt is investigated the use of ratio of the smallest single value by the biggest one as voltage colapse index, assuming that it\'s less unstable than the singular value itself, specialy near the collapse point. The results presented shown a clear advantage of using the smallest singular value instead of this singular value rate. The identification of the system\'s regions affected by the voltage drop is made by the tangent vector and by the voltage island identification method proposed on this work. Is compared the ability to identify system\'s critical bus by the tangent vector and right singular vetor of the smallest jacobian\'s singular value. In this case, tests results show the superiority of tangent vector. All the simulations presented are compared to allow the analysis of the voltage dependents load models (with high percentual of constant impedances), reactive limiters and generators load sharing efects over the smallest singular value, the rate of the smallest single value by the biggest one, voltage island classification and the critical bus identification.

Os métodos convencionais para o controle de tensão concentram-se na média tensão. Em alguns casos não são suficientes para a correção da tensão na rede secundária. Este trabalho apresenta os problemas relacionados à regulação de tensão na baixa tensão, os métodos convencionais para correção da tensão e uma estratégia para o controle de tensão na rede secundária de sistema de distribuição de energia elétrica. A solução final proposta é um conjunto de transformador com taps no lado de baixa tensão, hardware e software que promovem a comutação das derivações do transformador de forma automática. Para o desenvolvimento dessa estratégia será abordada a aplicação de sistemas inteligentes, o sistema fuzzy, e a estimação de modelos elétricos dos transformadores de distribuição. O objetivo desse produto é ser uma solução prática, viável técnica e economicamente para a regulação da tensão em cenários onde os métodos convencionais não o são. Os protótipos dessa solução foram montados e testados em laboratório e em campo e os resultados atenderam ao objetivo proposto. / The conventional methods for voltage control concentrated in medium voltage. In some case, they are not enough to correct the voltage on secondary grid of distribuition. This paper presents a strategy to control the voltage on the low voltage of the distribution grid. As proposed for dealing of this problem is made the presentation of an architecture for the intelligent automatic control, that is composed of distribuition transformer with tap on the low side, hardware and software. For the development of this strategy will be approached the application the intelligent systems, Fuzzy Systems, and the estimation of electrical model of distribuition transformers. The goal with this design is to provide grants to set up a system for regulating the voltage on the low side which is technically and economically feasible to be deployed where conventional solutions, with the inclusion of line regulators, are not.

Orientador: Antonio Padilha Feltrin / Resumo: Este trabalho apresenta uma proposta de estratégia global de controle de tensão que emprega programação não linear e duas extensões de estratégias de controle de tensão, encontrados na literatura. O principal objetivo destas estratégias é solucionar o problema de aumento de tensão nas redes de distribuição de baixa tensão, causado pela injeção de potência do gerador fotovoltaico distribuído. Estas estratégias de controle de tensão foram implementadas e analisadas a fim de verificar a sua eficácia e comparar os seus comportamentos. Para os testes, foram considerados a operação de geradores fotovoltaicos monofásicos e trifásicos distribuídos em um sistema teste de distribuição em baixa tensão. Os resultados mostraram que depois da aplicação das estratégias de controle, os perfis de tensão em regime permanente ficaram dentro da faixa de tensão permitida, obtendo-se uma mínima redução de potência ativa injetada dos geradores fotovoltaicos com os seus correspondentes fatores de potência. / Abstract: This work presents a proposal of a global voltage control strategy that use nonlinear programming and two extensions of voltage control strategies that are found in the literature. The main objective of these strategies is to solve the problem of voltage increase in low voltage distribution networks, caused by the power injection of the distributed photovoltaic generator. These voltage control strategies have been implemented and analyzed in order to verify their effectiveness and compare their behaviors. For the test, the operation of single-phase and three-phase photovoltaic generators distributed in a low voltage distribution test system were considered. The results showed that after the application of the control strategies, the steady-state voltage profiles were whihin the allowed voltage range, obtaining a minimum reduction of the active power injection of the photovoltaic generators with their corresponding powe factors. / Mestre

With the deployment of Smart Grids, the voltage quality has a new focus, and the ANEEL (National Agency of Electric Energy), Brazilian regulator organ, is able to improve its supervision activity. The electric energy customer has access to the value of voltage in real time and the utility needs to identify alternatives to attend the rigor of the regulatory acts and the intense expectative of its customers. Nowadays, in the conventional networks, the voltage setting is performed from the reference voltage set point of itself or of center of load. In the scenario of Smart Grids, beyond these values, it is also possible to use the online measures at any point of the feeder. In this new scenario it is possible to indentify alternatives related to advances in distribution networks power quality, in this way, the present work shows a methodology to be used as tools of operational support in the control of voltage profile in primary networks. Through application of computational intelligent techniques it is suggested a system of steady state voltage prediction for the monitored points along the feeder. The loading system and meteorological informations are used for the method application. From the result obtained for the very-short time forecasting, it is introduced the concept of Smart Grids, which considers proactive actions to optimize the process of maintenance of voltage level. / Diante da implantação das redes inteligentes, a qualidade da tensão passa a ter um novo enfoque, e a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), órgão regulador brasileiro, tem possibilidade de aprimorar sua atividade fiscalizatória. O usuário de energia elétrica tem acesso ao valor da tensão em tempo real e a distribuidora por sua vez, necessita identificar alternativas para atender ao rigor dos atos regulatórios e a expectativa intensa de seus clientes. Atualmente, nas redes convencionais o ajuste de tensão é realizado a partir da tensão de referência do próprio ponto ou do centro de carga. Já no cenário das redes inteligentes, além destes, também é possível utilizar os registros online das grandezas de outros trechos do alimentador, inclusive pontos a jusante. Neste novo cenário é oportuno identificar alternativas relacionadas ao avanço da qualidade da energia nas redes de distribuição, neste sentido, o presente trabalho apresenta uma metodologia a ser utilizada como ferramenta de apoio operacional no controle do perfil de tensão nas redes primárias. Através da aplicação de técnicas de inteligência computacional é proposto um sistema de previsão de tensão em regime permanente para pontos de monitoramento localizados ao longo do alimentador. Para tanto são utilizados dados do carregamento do sistema e informações meteorológicas. A partir dos resultados obtidos para a previsão no curtíssimo prazo é introduzido o conceito de controle de tensão inteligente, o qual considera a tomada de ações proativas para otimizar o processo de manutenção dos níveis de tensão.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In the last decade there has been a significant increase in interest in microgeneration technologies for electric power. Sources of hydraulic power generation, wind and solar technologies represent some of the important developments that have had arising from the research efforts aimed at this area of power generation. The reason for this interest is due to the consolidation of what is called future in terms of power generation, which is based on decentralization of power generation through interconnected centers of small generators / consumers. At distribution level, distributed generation sources, together with the loads connected to its bus, forms what is defined as a microgrid. Depending on the instantaneous load and installed generation capacity, a microgrid can behave as a point of consumption or generation of energy at different times, being able to operate also connected to the network or islanded form according to the quality energy supplied or need in case of system failure. Among the technologies of microgeneration, micro hydro power plants with selfexcited induction generators (SEIG) came to represent an excellent option for electricity generation in isolated areas, mainly due to its characteristics of robustness and low cost, compared to synchronous machines. It is an alternative to the use of synchronous generators in low-power systems powered by small hydroelectric plants, rich in our country. In this sense, this Master's thesis deals with the modeling and control of a micro hydro power plant with SEIG with frequency and voltage control. The frequency control is achieved by controlling the opening of the feeding system of the turbine while the voltage control is performed through the control of reactive power of the set, using for this a Pulse Width Modulated (PWM) inverter. 10 Based on these definitions and knowledge acquired, it was proposed a system to be implemented experimentally, consisting of a micro hydro power plant, in this case a motor driven by a voltage PWM inverter, emulating the behavior of a turbine coupled to the induction generator. The terminals of the SEIG feed a bus where loads with different characteristics are connected, featuring a microgrid, having as main goal the control of the voltage and frequency stability of the energy supplied by the generator to the isolated system. Among the studies developed for the implementation of the prototype is possible to highlight: three-phase system modeling, hydraulic system modeling, voltage and frequency control, and synchronization method. Throughout this paper, simulations and experimental results are presented in order to be demonstrated the applicability of control methods, their performance and technical feasibility of the system. / Na última década houve um aumento significativo no interesse em tecnologias aplicáveis a microgeração de energia elétrica. Fontes de geração de energia hidráulicas, eólicas e solares representam algumas das tecnologias que tiveram importantes evoluções decorrentes dos esforços em pesquisas destinados a esta área de geração de energia. A razão para tal interesse se deve a consolidação do que é chamado futuro em termos de geração de energia, sendo este baseado na descentralização da geração de energia através de redes interligadas de pequenos centros geradores/consumidores. A nível de distribuição, as fontes de geração distribuída, juntamente com as cargas conectadas ao seu barramento, formariam o que é definido como uma micro-rede. Dependendo da carga instantânea e da capacidade de geração instalada, uma micro-rede pode comportar-se como um ponto de consumo ou de geração de energia em diferentes momentos, sendo capaz também de operar conectada à rede ou de forma ilhada de acordo com a qualidade da energia fornecida ou necessidade do sistema em caso de falta. Dentre as tecnologias de microgeração, as micro centrais hidrelétricas (MCH) com geradores de indução auto-excitados (GIAE) passaram a representar uma excelente opção para a geração de energia elétrica em áreas isoladas, devido basicamente as suas características de robustes e baixo custo, quando comparadas às máquinas síncronas. Trata-se de uma alternativa ao uso de geradores síncronos em sistemas de baixa potência acionados por pequenos aproveitamentos hidrelétricos, ricos em nosso território nacional. Neste sentido, a presente Dissertação de Mestrado trata da modelagem e controle de uma MCH com GIAE com controle de frequência e tensão. O controle de frequência é obtido a partir do controle de abertura do sistema de alimentação da turbina enquanto que, o controle de tensão é realizado a partir do controle da potência reativa do conjunto, utilizando para isso um inversor de tensão. Partindo destas definições e dos conhecimentos adquiridos, foi proposto um sistema a ser implementado experimentalmente, composto de uma micro central hidrelétrica, neste caso um motor acionado por um inversor de tensão, emulando o comportamento de uma turbina hidráulica, acoplado ao gerador de indução. Os terminais do GIAE alimentam um barramento onde são conectadas cargas com características distintas, caracterizando uma micro-rede, tendo como objetivo o controle da estabilidade da tensão e frequência da energia fornecida pelo gerador ao sistema isolado. Dentre os estudos desenvolvidos para a implementação do protótipo é possível destacar: modelagem do sistema trifásico considerado, modelagem do sistema hidráulico, controle de tensão e frequência e método de sincronismo. Ao longo desta dissertação, resultados de simulações e experimentais são apresentados, a fim de que, seja demonstrada a aplicabilidade dos métodos de controle, seus desempenhos e a viabilidade técnica do sistema.

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Este trabalho descreve os métodos e os resultados encontrados a partir da implementação de métodos estáticos para análise da estabilidade de tensão em sistemas elétricos de potência. A determinação da margem de estabilidade de tensão foi feita através do cálculo do menor valor singular da matriz jacobiana associada às equações de fluxo de carga, comumente utilizado como índice estático de colapso de tensão. As não linearidades e descontinuidades relatadas nas referências estudadas e encontradas nos testes realizados, levaram-nos a propor o uso da razão entre o menor e o maior valores singulares da mesma matriz jacobiana, na expectativa de que este índice tivesse um comportamento menos instável do que o menor valor singular, o que não foi confirmado nos testes realizados. Identifica-se também as regiões do sistema elétrico mais afetadas pela instabilidade, o que é feito através da determinação da barra crítica do sistema e da classificação das barras de carga em ilhas de controle de tensão. A barra crítica é identificada através do cálculo do vetor tangente do sistema, conforme proposto nas referências citadas no trabalho. Como alternativa ao vetor tangente para a identificação da barra crítica, propôs-se usar o vetor singular à direita associado ao menor valor singular da matriz jacobiana. A comparação da capacidade de identificação da barra crítica por esses dois vetores mostrou uma clara vantagem do uso do vetor tangente. A rotina para identificação das ilhas de controle de tensão foi adaptada a partir de um método desenvolvido para a análise de coerência em barras de carga, e os resultados encontrados foram bastante satisfatórios. Os métodos implementados foram testados em diversas situações, com o objetivo de se analisar os efeitos dos modelos de carga ZIP com elevadas parcelas de impedância constante, dos limitadores de potência reativa dos geradores e da repartição do incremento da carga de potência ativa entre os geradores. / This work describes the methods and results got from the implementation of static methods for power systems voltage stability analisys. The power system voltage stability margin was predicted by the smallest load flow jacobian\'s singular value, commonly used as a prediction index to voltage stability. lt is investigated the use of ratio of the smallest single value by the biggest one as voltage colapse index, assuming that it\'s less unstable than the singular value itself, specialy near the collapse point. The results presented shown a clear advantage of using the smallest singular value instead of this singular value rate. The identification of the system\'s regions affected by the voltage drop is made by the tangent vector and by the voltage island identification method proposed on this work. Is compared the ability to identify system\'s critical bus by the tangent vector and right singular vetor of the smallest jacobian\'s singular value. In this case, tests results show the superiority of tangent vector. All the simulations presented are compared to allow the analysis of the voltage dependents load models (with high percentual of constant impedances), reactive limiters and generators load sharing efects over the smallest singular value, the rate of the smallest single value by the biggest one, voltage island classification and the critical bus identification.

The Electrical Functional Stimulation (EFS) allows the direct connection between man and machine through electrical signals. The last years growth in EFS is possible because of the new technological resources that make it feasible. Restoring someone s vision or hearing, even parcially, is one among several contribution that EFS may contribute to human s well-being. However the interface between the electrical circuits and the tissue is sensitive to several factors. Among several effects that may damage the tissue and electrode in EFS we can find those caused by the electrical stimuli, this may harm the application. This work presents contributions regarding electrical circuits topologies for safety stimuli in EFS. It is essential to ensure proper electrical charge balance and a small residual voltage on the tissue-electrode interface. For each of these problems one proposal is presented, both share circuit blocks. The blocks to control intensity and polarity of stimuli are designed to avoid the integration of high voltage devices. The current mode stimuli is generated using an ultra-low power charge redistribution Digital to Analog Converter (DAC) for stimulus intensity definition. This DAC architecture even simplifies the feedback mechanism that is obtained directly from measurement circuit. The technic that uses only low voltage devices to measure electrodes current is presented, it is suitable to implement the charge balance control in an integrated circuit. This measurement technique is insensitive to capacitors mismatch and to the current measurement absolute ratio. That control is possible through the a simplified feedback path that joins the controller and the measurement in an efficient way acting directly in the DAC. The proposed residual voltage control technique requires only passive elements to be added to the circuit, that suggest a lower power consumption. The charge redistribution DAC keeps residual voltage information stored, in order to compensate it in next stimulation cycles. The stimulation cycle polarity is explored, alternated cathodic and anodic-first cycles are used in order to reduce the charge imbalance and residual voltage. Both proposals are presented and validated with electrical simulation, known metrics are used and the performance is equivalent to state-of-art in literature. / A estimulação elétrica funcional(EFS) faz a interface direta entre o homem e a máquina, por meio de sinais elétricos. A viabilidade advinda de novas tecnologias justifica o seu crescimento nos últimos anos. Restaurar a visão ou a audição, mesmo que parcialmente, são duas das inúmeras contribuições que pode proporcionar para o bem estar do ser humano. No entanto, a interface entre o circuito elétrico e o tecido é sensível a diversos fatores. Entre os diversos fenômenos que podem ocasionar danos ao tecido e ao eletrodo na interface de EFS estão os causados pelo estímulo elétrico usado, e isso pode inviabilizar a aplicação. Neste sentido, este trabalho apresenta contribuições relacionadas à topologia de circuitos para segurança na geração do estímulo em EFS. O correto balanceamento de carga elétrica e a diminuição da tensão residual, na interface entre o tecido e o eletrodo, são indispensáveis. Uma técnica é propostas para a solução de cada um desses problemas, ambas compartilham blocos de circuito comuns. O controle da intensidade e da polaridade de estimulação são concebidos para evitar a necessidade de dispositivos de alta tensão. A geração de estímulos em modo corrente utiliza um Conversor Digital para Analógico (DAC) do tipo redistribuição de carga de ultra baixo consumo de energia para o controle da intensidade dos pulsos. Esse conversor ainda simplifica a realimentação, que é derivada diretamente do circuito de medição. Como solução para viabilizar a implementação em circuito integrado de controle do desbalanço de carga, uma técnica de medição usando somente dispositivos de baixa tensão é apresentada. Essa técnica é tolerante ao descasamento entre capacitores utilizados e à variação no ganho do circuito de medição de corrente. O controle é possível por meio de um laço de realimentação simplificado, que une medição e controle de forma eficiente e atua direto no DAC. A técnica proposta para controle da tensão residual nos eletrodos requer somente adição de elementos passivos ao circuito, sugerindo a redução do consumo de energia. O DAC tipo redistribuição de carga é usado para armazenar a informação da tensão residual e a compensação no ciclo seguinte. A fase dos ciclos de estimulaçãotambém é explorada, ciclos com fases alternadas são usados visando redução no desbalanço de carga e tensão residual. As duas propostas são apresentadas e validadas por meio da simulação elétrica, métricas conhecidas são utilizadas e o desempenho observado é equivalente ao estado da arte.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The subject of this work is to present a switched reluctance machine (SRM) driver capable to control the machine as a motor/generator, allowing the transition between the modes of operation while the machine is running. Six load voltage control strategies developed to be applied to a switched reluctance generator was performed, being that the strategies AV2, TBV, Hi and AMV was developed in this work. A SRM simulation able to represent the machine as a motor/generator was implemented and the results were presented. The load voltage strategies showed in this work was tested through simulations and the results indicate that the strategy called AV2 was the best one, providing a better utilization of the mechanical energy from the primary source. A prototype was assembled and the experimental results showed that the machine operating as a motor/generator operate properly and all the load voltage strategies developed to switched reluctance generator kept the voltage on the load near to the reference value confirming the functionality of the strategies. / Este trabalho tem como objetivo apresentar um acionamento capaz de controlar a máquina de relutância variável (MRV) como motor e como gerador, permitindo a transição de modos de operação com a máquina girando. Seis técnicas de controle de tensão na carga da máquina operando como gerador foram implementadas, sendo que as estratégias AV2, TBV, Hi e AMV foram desenvolvidas neste trabalho. Uma simulação da MRV capaz de representar a operação da máquina como motor/gerador foi desenvolvida e os resultados foram apresentados. As estratégias de controle de tensão na carga foram testadas através de simulação. Comparações entre as mesmas demonstraram que a estratégia AV2 é a que proporciona maior geração de energia elétrica, demonstrando a importância de se adicionar uma etapa de roda livre ao controle do GRV com malha fechada de tensão na carga. Um protótipo foi construído no laboratório utilizando DSP e resultados experimentais da máquina operando como motor/gerador, assim como resultados do GRV controlado pelas estratégias de controle de tensão na carga foram apresentados e discutidos. / Doutor em Ciências

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The search for solutions to the different power quality problems, in special the ones related to the voltage level compliance to the standard values has produced, up to now, an extensive range of commercial products using different techniques. Despite this recognition, the challenge for alternative strategies, presenting low cost and low maintenance properties, are very attractive and this subject is still motivating research worldwide. In this context, this dissertation is focused on the proposal of a voltage regulating device, here referred as CET (Electromagnetic Voltage Compensator), which presents an innovative design to obtain the process of voltage regulation. The main idea is based on the voltage injection, been as an additive or subtractive way, through a physical arrangement, presenting as a full electromagnetic power device. Aiming operative dynamic properties, the proposal in question, as far as their operational design concerns, is based on electronic switching and control device. The proposal outlined here will encounter emphasizes to the CET physical structure, the control unit composition and the evaluation of the electric complex performance under different voltage deviations occurrences. The studies are presented and then discussed, using the results provided by the computational simulation carried out in the time domain simulator ATP throughout its classical feature the MODELS language. / A busca por soluções para os distintos problemas da qualidade da energia elétrica, com destaque às variações das tensões de suprimento, conta, na atualidade, com uma extensa gama de produtos visando, sobretudo, a regulação dinâmica da tensão de suprimento. Não obstante tal reconhecimento, os desafios por estratégias alternativas por compensadores com propriedades operacionais e econômicas mais atrativas continuam motivando pesquisas em todo o mundo. Neste contexto, a presente dissertação encontra-se focada numa proposta de controle de um dispositivo regulador de tensão, aqui denominado por CET (Compensador Eletromagnético de Tensão), que se apresenta com uma concepção inovadora no que tange ao processo da regulação da tensão. A ideia central apoia-se na injeção série de reforços de tensão, aditiva ou subtrativa, através de um arranjo físico totalmente eletromagnético quanto às suas unidades de potência. Objetivando propriedades operativas dinâmicas, a proposta em pauta, no que tange a sua concepção operativa, fundamenta-se em chaveamentos eletrônicos controlados. À luz destes fatos, o trabalho vai de encontro a esta filosofia e ressalta a estrutura física do dispositivo, a composição da unidade de controle e avalia o desempenho do dispositivo sob condições associadas com a ocorrência de desvios de tensão. Quanto aos estudos feitos e discutidos, estes se encontram alicerçados em investigações computacionais conduzidas através da plataforma ATP e recursos oferecidos pela linguagem MODELS. / Mestre em Ciências