Σε αυτή τη διπλωματική εργασία διερευνούνται οι προδιαγραφές που πρέπει να ικανοποιούνται ώστε να είναι εφικτή η σύνδεση εγκαταστάσεων κατανεμημένης παραγωγής στα δίκτυα διανομής και η εφαρμογή τους σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα που συνδέεται στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια επισκόπηση της παρούσας κατάστασης στην ηλεκτρική ενέργεια και αναλύονται οι λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη της κατανεμημένης παραγωγής οι οποίοι συνοψίζονται στους περιορισμούς στην κατασκευή νέων γραμμών μεταφοράς, στην αυξημένη ζήτηση παροχής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής αξιοπιστίας, στην απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, στους προβληματισμούς για τις κλιματικές αλλαγές και στην εξάντληση των ορυκτών καυσίμων. Έπειτα αναλύεται ο ορισμός της κατανεμημένης παραγωγής σύμφωνα με τα διάφορα διεθνή ινστιτούτα ηλεκτρικής ενέργειας και αναπτύσσονται οι τεχνολογίες που περιλαμβάνει οι οποίες διαχωρίζονται σε τεχνολογίες φυσικού καυσίμου (fossil fuel technologies) και σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στις πρώτες περιλαμβάνονται οι μηχανές εσωτερικής καύσης, οι αεριοστροβιλικοί σταθμοί, οι μικροστρόβιλοι ή μικροτουρμπίνες και οι σταθμοί συνδυασμένου κύκλου ενώ στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνονται οι ανεμογεννήτριες, τα κύτταρα καυσίμου (fuel cells), οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες, τα μικρά υδροηλεκτρικά και οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από βιομάζα και φυσικό αέριο. Η λειτουργία ενός ηλεκτρικού δικτύου ελέγχεται από συσκευές προστασίας και ρύθµισης της τάσης, που έχουν σκοπό την παροχή προς τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας αποδεκτής ποιότητας, ελαχιστοποιώντας τον αριθµό των σφαλµάτων και προσφέροντας υψηλό επίπεδο ασφάλειας. Η σύνδεση στο δίκτυο µονάδων κατανεμημένης παραγωγής πρέπει να συµβαδίζει µε αυτές τις γενικές αρχές, ώστε αφενός µεν να µην προκαλούνται ενοχλήσεις στους λοιπούς καταναλωτές και αφετέρου να υπάρχει συµβατότητα µεταξύ του δικτύου διανοµής και των εγκαταστάσεων των παραγωγών. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται οι προϋποθέσεις που πρέπει να ισχύουν για τη σύνδεση και παράλληλη λειτουργία των εγκαταστάσεων παραγωγής µε τα δίκτυα διανοµής, καθώς και ο απαιτούµενος εξοπλισµός ζεύξης και προστασίας, µε στόχο την αποτελεσµατική αντιµετώπιση της πλειονότητας των περιπτώσεων. Οι τεχνικές προδιαγραφές που περιγράφονται αφορούν στη σύνδεση παραγωγών στο δίκτυο µέσης τάσης (ΜΤ) ή χαµηλής τάσης (ΧΤ). Βασικά κριτήρια και προϋποθέσεις που εξετάζονται προκειµένου να επιτραπεί η σύνδεση νέων εγκαταστάσεων παραγωγής είναι η επάρκεια του δικτύου (γραμμών, μετασχηματιστών κλπ.), η συµβολή στη στάθµη βραχυκύκλωσης, οι αργές µεταβολές της τάσης (µόνιµης κατάστασης), οι ταχείες µεταβολές της τάσης, οι εκποµπές flicker, οι εκπομπές αρμονικών, η διαµόρφωση των προστασιών της διασύνδεσης εγκαταστάσεων-δικτύου και η επίπτωση στη λειτουργία συστηµάτων Τηλεχειρισµού Ακουστικής Συχνότητας (ΤΑΣ). Τα κριτήρια και οι µέθοδοι εξέτασης που περιγράφονται στηρίζονται κατά κύριο λόγο στη σειρά προτύπων 61000 της IEC (International Electrotechnical Commission) και εξασφαλίζουν την ικανοποίηση των απαιτήσεων του ευρωπαϊκού προτύπου ΕΝ 50160 (πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 50160 και Οδηγία διανοµής 120 της ΔΕΗ Α.Ε.). Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια μελέτη εφαρμογής των παραπάνω προδιαγραφών σε ένα σύστημα που εξομοιώθηκε με χρήση του προγράμματος PSCAD. Το σύστημα αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία μέγιστης ισχύος 4,8 kW, έναν μετατροπέα συνεχούς/εναλλασσόμενης τάσης ή αντιστροφέα (DC to AC converter) που λειτουργεί με τη μέθοδο PWM (Pulse Width Modulation ή διαμόρφωση εύρους παλμού), ένα σύστημα παρακολούθησης του σημείου μέγιστης ισχύος που αποδίδει η συστοιχία (MPPT Maximum Power Point Tracker), ένα μετασχηματιστή 150V/380V για την ανύψωση της τάσης στην έξοδο του αντιστροφέα στα επίπεδα τάσης του δικτύου, ένα δίκτυο χαμηλής τάσης και δύο φορτία RL. Εκτενής αναφορά γίνεται στις εκπομπές αρμονικών που παρουσιάζονται στο σύστημα στην έξοδο του αντιστροφέα. Αρχικά γίνεται μελέτη χωρίς φίλτρο LC στην έξοδο του αντιστροφέα και στη συνέχεια παρατηρούμε τον τρόπο με τον οποίο το φίλτρο LC επιδρά στη μείωση των αρμονικών σε επιτρεπτά πλαίσια. Τέλος διερευνούνται οι διακυμάνσεις τάσης του δικτύου κατά τη ζεύξη του φωτοβολταϊκού συστήματος με το δίκτυο, πραγματοποιείται μια μελέτη του συστήματος σε περίπτωση βραχυκυκλωμάτων και διερευνάται η επίπτωση σε συστήματα τηλεχειρισμού ακουστικής συχνότητας. / -

Thesis (M.S.)--Mississippi State University. Department of Electrical and Computer Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2005. / Title from first page of PDF file. Document formatted into pages; contains xvi, 209 p.; also includes graphics. Includes bibliographical references (p. 202-209). Available online via OhioLINK's ETD Center

Thesis (M.S.) -- Mississippi State University. Department of Electrical and Computer Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2005. / Available online via OhioLINK's ETD Center; full text release delayed at author's request until 2006 Aug 15.

A conexão da geração eólica aos sistemas de distribuição pode causar problemas de qualidade de energia, tais como afundamentos e flutuações de tensão. A geração eólica pode também interferir de forma prejudicial nas estratégias operacionais e de controle utilizadas nos sistemas de distribuição. Por outro lado, o uso de estratégias de controle adequadas pode permitir que a geração eólica mitigue problemas de qualidade de energia relacionados com a regulação de tensão e contribua para melhorar a confiabilidade dos sistemas de distribuição. Neste contexto, esse trabalho propõe estratégias de controle coordenado de tensão para sistemas de distribuição com unidades eólicas de geração distribuída. As estratégias de controle propostas visam possibilitar que a geração eólica contribua de forma coordenada com a regulação de tensão no sistema de distribuição. O controle proposto coordenado com a operação típica de transformadores com controle automático de tap e banco de capacitores chaveados permite que a geração eólica atenue variações e flutuações de tensão causadas pelas variações normais de vento e carga do sistema. O foco do trabalho é a regulação de tensão na barra de média tensão da subestação, considerando a conexão da geração eólica nesse ponto do sistema. Estratégias de controle envolvendo a previsão da velocidade do vento também são propostas para melhorar o desempenho do sistema de controle de tensão. As estratégias propostas podem ser implementadas por meio de uma malha de controle suplementar inserida na unidade eólica de geração. As avaliações e validações realizadas foram baseadas em um sistema de distribuição com topologia típica e considerando dados reais para a linha de transmissão e transformador com comutação de tap com carga (OLTC, do Inglês, On-Load Tap Changer), assim como dados reais de velocidade de vento e curva de carga para o sistema. O estudo também avalia o impacto causado pela conexão da geração eólica na tensão de sistemas de distribuição considerando diferentes níveis de inserção da geração eólica e diferentes classes de vento. Os resultados obtidos demonstram a eficiência das estratégias propostas na regulação da tensão e redução do número de comutações de tap. / The connection of wind generation to distribution systems can cause power quality problems such as voltage sags and voltage fluctuations. The wind generation can also detrimentally affect the operational and control strategies employed in the distribution systems. On the other hand, the use of suitable control strategies may allow wind generation to mitigate power quality problems related to voltage regulation and to improve the reliability of distribution systems. In this context, this work proposes strategies for coordinated voltage control in distribution systems with wind generation. The proposed control strategies aim at enabling wind generation to contribute to coordinated voltage regulation in the distribution system. The proposed coordinated control with the typical operations of On Load Tap Changer (OLTC) transformers and switched capacitor bank, allows the wind power attenuates voltage variations and voltage fluctuations caused by normal changes in system load and wind speed. The focus of this work is the voltage regulation at the medium voltage bus in the substation, considering the connection of wind generation at this point the system. Control strategies involving the prediction of wind speed are also proposed to improve the performance of the voltage control system, and can be implemented by means of a supplementary control loop add to wind generation unit. The evaluations and validations were based on a distribution system with typical topology and considering actual data for the transmission line and OLTC transformer, as well as real data of wind speed and load curve. The study also evaluates the impact caused by the connection of wind generation, for different penetration levels of generation and different wind power classes, on the voltage magnitude of a distribution system. The obtained results have demonstrated the effectiveness of the proposed strategies in regulating the system voltage and reducing the number of tap changes.

Orientador: Prof. Dr. Ahda Pionkoski Grilo Pavani / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2014. / O ilhamento não intencional ocorre quando a proteção não é capaz de detectar a operação ilhada de parte do sistema de distribuição. Estas falhas ocorrem para condições específicas de geração e carga do subsistema ilhado, nas quais as variações de tensão e frequência após o ilhamento não são suficientes para sensibilizar a proteção. Neste trabalho é apresentada uma metodologia para o cálculo do índice de risco de ilhamento não intencional de geradores eólicos distribuídos, considerando que estes geradores empregam relés de sub/sobrefrequência e sub/sobretensão para proteção anti-ilhamento. A metodologia desenvolvida utiliza curvas características de velocidade de vento de uma região e curvas de carga para identificar as possíveis condições de operação do sistema. Com a aplicação da metodologia proposta é possível avaliar o risco da proteção anti-ilhamento baseada em relés de sub/sobretensão e sub/sobrefrequência não detectar o ilhamento. Como resultado, a concessionária poderá avaliar se somente a proteção anti-ilhamento baseada nestes relés é suficiente, ou se devido ao alto risco de não detecção esquemas mais sofisticados devem ser empregados. / The unintentional islanding occurs when the protection is not able to detect the islanded part of the distribution system operation. These failures occur for specific conditions of generation and load islanded subsystem in which the variations of voltage and frequency after islanding are not sufficient to sensitize protection. In this work a methodology to calculate the unintentional islanding risk index of distributed wind generators is presented, considering that these generators employ under/overfrequency and under/overvoltage protection relays for anti-islanding. The methodology uses the characteristic curves of wind speed in a region and load curves to identify the possible operating conditions of the system. Proposed methodology can assess the risk of anti-islanding protection based on under/overvoltage and under/overfrequency relays not detect islanding condition. As a result, the utility can only assess whether the anti-islanding protection based on these relays is sufficient, or if due to the high risk of failure to detect more sophisticated schemes must be employed.

Orientadora: Profa. Dra. Ahda Pionkoski Grilo Pavani / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2015. / A operação de parte da rede de distribuição de forma ilhada alimentada por geradores distribuídos aumenta os índices de confiabilidade do sistema, caso de problemas com a conexão com a rede principal reduz o tempo de indisponibilidade do fornecimento de energia elétrica para um conjunto de cargas. Os geradores síncronos distribuídos por apresentarem regulador de velocidade e controle de excitação podem mais facilmente operar no modo ilhado. Um dos grandes desafios da operação ilhada, no entanto, é a redução drástica dos níveis de curto-circuito quando a rede passa a operar de forma ilhada, comprometendo as funções de proteção dos relés de sobrecorrente. Com isso, para a operação de forma segura de uma rede ilhada é necessário alterar o ajuste da proteção dos relés de sobrecorrente. Os relés digitais apresentam a possibilidade de armazenar dois ou mais ajustes distintos de proteção, e a seleção do ajuste a ser usado pode ser realizada via um sinal externo. Neste contexto, o objetivo desta dissertação é apresentar um método capaz de identificar o estado de conexão da rede com a subestação principal e, em caso de alteração deste estado, enviar um sinal para o relé de proteção para a seleção do ajuste adequado. O método proposto não depende de comunicação e baseia-se em um dispositivo simples composto basicamente por um tiristor, que pode ser instalado próximo ao relé. O dispositivo foi modelado no MatLab e utilizado em simulações computacionais de uma rede de distribuição para validar a metodologia proposta. A rede de distribuição simulada possui capacidade de operar de forma ilhada alimentada por dois geradores síncronos distribuídos. O método proposto apresentou bom desempenho e foi capaz de identificar a condição de operação do sistema e selecionar o ajuste da proteção de forma adequada. / The capacity of part of the system to keep an autonomous operation supplied by distributed generators improves the network reliability indices, since, in case of the loss of the connection with the utility grid, it reduces the frequency and duration of interruptions for the customers. Considering that distributed synchronous generators usually have excitation system and speed regulator, they can easily control the voltage and frequency of the system and operate in the islanded mode. However, one of the challenges of islanded operation is the drastically decrease of fault current level when the system is operating in the islanded mode compared to the main system connected condition. So, to ensure a safe grid operation the overcurrent protection settings should be changed. The microprocessor-based overcurrent relay have more than one setting group and thus have the possibility to change the tripping characteristics during the operation as a function of an input signal. In this context, the objective of this thesis is to present a method capable of identifying the grid state and send a signal to the overcurrent relay in order to change the overcurrent settings. The proposed method doesn¿t depend on the communication systems for the relays, and it is based on a simple device composed by one tyristor, which can be installed next to the relay. The device was modeled in MatLab and used in computational simulations considering a typical distribution system to validate the proposed method. The distribution grid used has the capacity of operating in islanded mode or connected to the utility grid mode. The proposed method has presented a good performance and it was able to identify the operation condition in order to select the suited protection setting.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta o projeto e análise de uma estratégia de controle para inversores monofásicos conectados a rede de distribuição de energia elétrica. A estratégia é projetada com o objetivo de atender os limites harmônicos do padrão IEEE 1547.2-2008 e ao mesmo tempo suportar uma faixa de variação dos parâmetros da rede elétrica, como frequência, resistência e indutância. Neste sentido, a estratégia envolve um conjunto de técnicas como: um sincronizador de fase e frequência; controladores de corrente e potência, com rejeição de harmônicos; amortecimento ativo; estimador de corrente; filtro digitais; entre outras. Para essa estratégia de controle, foi escolhido o controlador proporcional ressonante (PR) e um sincronizador de fase e frequência de segunda ordem (MSOGI-FLL) com capacidade de suportar variações usuais de frequência. Ainda, um filtro de conexão passivo do tipo LCL-LC e um algoritmo de rejeição o de harmônicos (HC) são utilizados para atender os limites de conteúdo harmônico. Para aumentar a margem de estabilidade do sistema é utilizado uma técnica de amortecimento ativo. Para implementação dessa técnica de amortecimento ativo é proposto um novo estimador da corrente do capacitor do filtro de conexão de fácil implementação e que suporta variações da impedância da rede elétrica, entre redes fracas e redes fortes. Esse trabalho também contribui com o projeto dos ganhos do controlador PR com amortecimento ativo apresentado a estabilidade em uma ampla de faixa de parâmetros da rede elétrica, o que pode caracterizar desde uma rede fraca até uma rede forte. Para validação experimental da estratégia proposta foi construído um protótipo de um inversor monofásico de 1 kW, com características similares de produtos comerciais, como custo e dimensões reduzidas. O funcionamento da estratégia de controle proposta e do conversor de potência foi verificado por meio de resultados experimentais. Os vários resultados apresentados no trabalho corroboram o bom desempenho do sistema projetado e analisado em simulações computacionais. A distorção harmônica total (DHT) da forma de onda de corrente ´e inferior a 2,3% em todos os casos analisados, atendendo o padrão IEEE 1547.2-2008. / This work presents the design and analysis of a control strategy for single-phase inverters connected to the electric power distribution network. The strategy is designed to comply with the harmonic limits of the IEEE 1547.2-2008 standard and at the same time support a range of grid parameters variation such as frequency, resistance and inductance. In this sense, the strategy involves a set of techniques such as: a phase and frequency syn- chronizer; current and power controllers with harmonic compensation; active damping; current estimator; digital filter; among others. For this control strategy, a resonant pro- portional controller (PR) and a second-order phase-frequency synchronizer (MSOGI-FLL) with the capacity to withstand usual frequency variations were chosen. Furthermore, a LCL-LC passive connection filter and a harmonic compensation algorithm (HC) are used to comply with the harmonic limits. To increase the stability of the system an active damping technique is used. To implement this active damping technique, it is proposed a new estimator of the filter capacitor current with an easy implementation and support for electrical grid impedance variations between weak grids and strong grids. This work contributes to the PR controller with active damping gains design seeking stability in a wide range of parameters of the electrical grid that characterizes from a weak grid to a strong grid. For experimental validation of the proposed strategy a prototype of a 1 kW single-phase inverter was built, with characteristics of commercial products, such as cost and dimensions restrictions. The operation of the power converter and the proposed control strategy was verified through experimental results. The various results presented in the paper corroborate the good performance of the system analyzed in computational simulations. The total harmonic distortion (DHT) of the current waveform is lower than % in all analyzed cases, meeting the IEEE 1547.2-2008 standard.

A inserção e a expansão da geração distribuída (GD) trazem desafios intrínsecos relacionados, sobretudo, a confiabilidade e operação do sistema elétrico de potência (SEP), o que resulta em uma mudança de paradigma imposta aos sistemas de distribuição de energia. Dentre os desafios e oportunidades associados à geração distribuída, destaca-se a operação ilhada dos sistemas de distribuição e microrredes. Nesse contexto, esse trabalho propõe estratégias operacionais e de controle para viabilizar a operação de sistema eólicos. O controle proposto baseia-se em uma malha de controle suplementar, adicionada à malha de controle de velocidade da unidade eólica. A malha de controle proposta consiste em uma quebra de paradigma para o controle da tensão no barramento CC, pois nos sistemas tradicionais essa tensão é normalmente controlada apenas pelo banco de baterias. Através do controle suplementar proposto, torna-se possível reduzir o número e a duração de atuações do banco de baterias, aumentando sua vida útil. Propõe-se ainda, como contribuição, uma metodologia para o dimensionamento mínimo do sistema de armazenamento de energia baseado em banco de baterias para permitir a operação ilhada autônoma de sistemas eólicos. Esse dimensionamento considera um degrau de carga máximo que deverá ser atendido pelo sistema. Por fim, as estratégias operacionais e de controle propostas em conjunto com o sistema de armazenamento de energia são avaliadas e validadas por meio de análises matemáticas e simulações no domínio do tempo utilizando o sistema proposto. Os resultados obtidos demonstraram que o controle proposto permitiu a operação autônoma de um sistema eólico baseado em gerador síncrono com conversor estático completo. / The insertion and expansion of distributed generation bring about intrinsic challenges, especially concerning to the reliability and operation of the electric power system, which results in a paradigm shift imposed on power distribution systems. Among the challenges and opportunities associated to distributed generation, the islanded operation of distribution systems and microgrids has grown considerably. In this context, this paper proposes operational and control strategies to properly allow the operation of a wind generation system. The proposed control is based on a supplementary control loop, added to the speed control loop of the wind turbine. The proposed control loop consists of a paradigm shift to control the DC-link voltage, since in traditional systems the DC-link voltage is usually controlled only by the BESS. The proposed supplementary control loop reduces the number and duration of the BESS actuations. Furthermore, the proposed strategy can contribute to enhance the reliability and the life cycle of the energy storage device. This work also proposes a new methodology for minimum sizing of battery energy storage systems to allow the islanded operation of wind power systems. The methodology considers a maximum load step to be supplied by the system. Finally, the proposed control and operational strategies with the BESS are evaluated and validated throughout mathematical analysis and simulation in the time domain using the proposed system. The proposed control strategy was effective in regulating the DC-link voltage, allowing the islanded operation of a wind power system based on synchronous generator with full-size power converters.