Este trabalho propõe uma nova metodologia de projeto de controladores para o amortecimento de oscilações eletromecânicas de baixa freqüência em sistemas de potência. Considerando a necessidade de se aumentar a robustez dos estabilizadores clássicos frente a variações nas condições de operação, este estudo analisou uma série de requisitos práticos a serem atendidos pelos novos controladores de amortecimento e desenvolveu a metodologia proposta, de tal forma que os controladores projetados pudessem satisfazer a todos os requisitos analisados. Foram tratadas questões relativas à estrutura de controle (realimentação dinâmica descentralizada de saída), à robustez de estabilidade e desempenho (através da modelagem politópica e dos critérios de posicionamento regional de pólos) e da não atuação dos controladores em regime permanente (com a inclusão de filtros washout na modelagem). A principal vantagem desta metodologia proposta é a possibilidade de se garantir formalmente um desempenho robusto dos controladores, dentro de uma região pré-especificada de pontos de operação. Os resultados, obtidos através de simulações não lineares da resposta (para uma série de perturbações) dos sistemas escolhidos para teste, em diversas condições de operação, mostram que os controladores obtidos com a aplicação desta metodologia são capazes de manter seu desempenho frente às variações consideradas. Além disso, a obtenção de resultados satisfatórios com a aplicação desta metodologia a um sistema com 45 variáveis de estado indica boas perspectivas para a utilização conjunta da mesma com técnicas de redução do modelo de estados, para o projeto de controladores de amortecimento em sistemas reais de grande porte. / This research proposes a new methodology for the design of controllers to damp low frequency electromechanical oscillations in power systems. Considering the need to improve the robustness of the classical stabilizers, with respect to variations in the operating conditions, this study has analyzed a series of practical requirements to be met by the new damping controllers and developed the proposed methodology, so the designed controllers could satisfy all the analyzed equirements. Questions regarding the controller structure (decentralized dynamic output feedback), the robustness of stability and performance (through the polytopic modelling and the regional pole placement criteria) and the non influence of the controllers over the steady state behavior of the system (with the inclusion of washout filters in the model) were treated. The main advantage of the proposed methodology is the possibility to ensure, formally, the performance robustness of the controllers, within a previously specified region of operating points. The results, obtained through the eigenanalysis of the closed loop system and the nonlinear simulations of the system responses to a series of disturbances, in various operating conditions, show that the controllers provided by this new methodology are capable of maintaining their performance, despite the considered variations. Moreover, the satisfactory results obtained with the application of this methodology to a system with 45 state variables indicates good perspectives for the joint utilization of the methodology and model order reduction techniques, for the design of damping controllers for real-sized systems.

Este trabalho aborda as oscilações eletromecânicas de baixa frequência, relativas a modos interáreas, pouco amortecidos, avaliando o seu impacto no desempenho de redes elétricas multi-máquinas com o objetivo de elevar o amortecimento destes modos com equipamentos TCSC. Os locais apropriados para instalação destes equipamentos são escolhidos com a análise dos resíduos de funções de transferência e o ajuste de parâmetros, para o projeto coordenado de controladores, utiliza o método de imposição de polos. O sistema não linear de equações, obtido com a aplicação do método de imposição de polos, supondo coeficientes de amortecimento pré-estabelecidos, é resolvido utilizando-se o método de Newton Raphson. Adicionalmente, avalia-se a possibilidade do método auxiliar na análise de interações entre controladores e identificação de acoplamentos, por meio da análise dos termos que compõem as equações de imposição de polos. / This work deals with low frequency oscillations related to inter-area modes, evaluating their impact on the performance of multi-machine electrical networks with the aim to increase the damping of these modes using TCSC. The best places to install these devices are chosen with the analysis of the residues of transfer functions and the parameter fitting for coordinated application of stabilizers is performed with the pole placement method. The nonlinear system of equations, obtained with the pole placement method, assuming specified damping factors, is solved with the Newton-Raphson method. The method is also used in the analysis of control interaction among stabilizers through the evaluation of individual parcels of the pole placement equations, as an additional feature of the approach.

O constante aumento da demanda de energia elétrica sobre as redes e a necessidade de interligação de sistemas através de longas linhas de transmissão, culminaram em problemas relacionados à estabilidade do sistema de potência multimáquinas. Tais problemas envolvem oscilações eletromecânicas de baixa frequência classicadas como modos interáreas. Os modos interáreas são caracterizados por oscilações de frequências de até 1Hz e representam oscilações de um grupo de geradores de uma área contra grupos de geradores de outras áreas. Umavezqueoempregodeestabilizadoresdesistemasdepotência(ESP)possanãosersucienteparagarantirumamortecimentoadequadoaessesmodos,osdispositivosFACTSsurgem como uma alternativa ecaz para o amortecimento de oscilações de baixa frequência. Para este m, o Capacitor Série Controlado por Tiristor (TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor) é um dispositivo FACTS comumente empregado e quando utilizado juntamente com um controlador suplementar para amortecimento de oscilações de potência (POD - Power Oscillation Damping) garante ao sistema de potência estabilidade e amortecimento adequado. Assim, o objetivo deste trabalho de mestrado é realizar o projeto coordenado de controladores ESP e TCSC-POD efetuando um ajuste incremental dos parâmetros dos controladores através da formulação do problema por otimização e programação quadrática. Tal técnica foi utilizada anteriormente somente para o projeto de ESPs. No caso deste trabalho será feita uma adaptação para estender a possibilidade de aplicação da metodologia para casos com dispositivos FACTS presentes. / The increasing demand for electricity over networks and the need for systems interconnection through long transmission lines, resulted in problems related to the multi-machine power systemstability. Theseproblemsinvolvelowfrequencyoscillationsclassiedasinterareasmodes. These modes are characterized by oscillations in frequencies up to 1 Hz, and represent a group of generators from one area oscillating against generator groups from other areas. Once the use of power system stabilyzers (PSS) controllers may not be sucient to ensure adequate damping to these modes, the FACTS devices emerge as an ecient alternative to damping low frequency oscillations. For this purpose, the TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)isacommonlyusedFACTSdeviceandwhenitisusedtogetherwithasupplementary controller POD (Power Oscillation Damping), ensures stability to power system and adequate damping. These controllers have the same structure as the PSS controllers. Therefore, the objective of this work is to carry out the coordinated design of PSS and TCSC-POD controllers, performing an incremental adjustment of the controllers parameters by formulating the problem as an optimization problem using quadratic programming. This method was previously used only for PSS design. In the case of this work, it is made an adaptation to extend the applicability of the methodology for cases in which there are FACTS devices present.

Ao longo das últimas décadas, o advento de geradores síncronos distribuídos têm modificado significativamente a operação dinâmica de sistemas de distribuição. Características dinâmicas que antes eram típicas de sistemas de transmissão estão agora também presentes em sistemas de distribuição. Problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas, um dos focos de análise do estudo da estabilidade a pequenas perturbações, podem agora afetar também os sistemas de distribuição devido à inserção de geradores síncronos. Ferramentas usualmente utilizadas em sistemas de transmissão para a análise de tais oscilações não são completamente adequadas para analisar os fenômenos que ocorrem nos sistemas de distribuição com geração distribuída, devido a características peculiares desses sistemas, tais como o desequilíbrio de suas fases. Assim, essa pesquisa propõe um procedimento alternativo para analisar a estabilidade a pequenas perturbações de sistemas de distribuição, através da aplicação de técnicas de estimação modal. Abordam-se duas técnicas de estimação modal: os métodos de Prony e o ESPRIT. O primeiro método consiste em uma ferramenta já consagrada para a identificação de oscilações eletromecânicas de baixa frequência. Enquanto o segundo é uma t´técnica usualmente aplicada em análise de transitórios com desempenho satisfatório no contexto de qualidade de energia. Simulações não lineares são realizadas no software ATP, inicialmente sobre um sistema trifásico equilibrado e tais técnicas são aplicadas e comparadas, tornando possível a validação cruzada de ambos os métodos na identificação do modo eletromecânico do sistema. Na sequência, simulações são realizadas em um um sistema trifásico desequilibrado, permitindo avaliar o efeito do desbalanço da carga sobre as oscilações eletromecânicas, sendo essa uma das maiores contribuições desse trabalho. A principal conclusão adquirida é o fato de que um Power System Stabilizer (PSS) pode ser usado para mitigar os impactos prejudiciais das oscilações eletromecânicas em um gerador síncrono distribuído, sendo que esse PSS pode ser projetado a partir de técnicas típicas, assumindo um funcionamento equilibrado desse gerador, e ainda assim ter um desempenho satisfatório para os casos desequilibrados estudados. / Over the last few decades, the advent of distributed synchronous generators has significantly modified the operation and dynamics of distribution systems. Dynamic behaviors that were typical of transmission systems are now also present in distribution systems. Problems related to poorly damped electromechanical oscillations, the focus of small-signal stability studies, can now also affect the distribution systems due to the insertion of synchronous generators. Tools usually employed in large systems for the analysis of these oscillations are not completely appropriate to analyze this phenomena in distribution systems with distributed generation, due to particular characteristics of these systems, such as load imbalance. Therefore, this research proposes an alternative procedure to analyze the small-signal stability of distribution systems, through the application of modal estimation techniques. Two modal estimation techniques are used: the Prony and ESPRIT methods. The former consists of a well-established tool for identifying low-frequency oscillations and the latter was chosen due to its satisfactory performance in works related to power quality, where it is applied in transient analysis. Initially, both modal estimation techniques are applied to the results of nonlinear simulations performed in the Alternative Transients Program for balanced three-phase systems. The modes identified by both techniques exhibit a close match, which provides a cross validation between these techniques. In the sequence, simulations are performed in three-phase unbalanced systems, allowing an evaluation of the effect of load imbalance on the electromechanical oscillations (which is another major contribution of this work). Furthermore, it is concluded from the obtained results that a Power System Stabilizer, designed under the assumption of a balanced operation of the distribution system, can be effectively used to mitigate the detrimental effects of the poorly damped oscillations even when the system operates under unbalanced load conditions.

Este trabalho aborda as oscilações eletromecânicas de baixa frequência, relativas a modos interáreas, pouco amortecidos, avaliando o seu impacto no desempenho de redes elétricas multi-máquinas com o objetivo de elevar o amortecimento destes modos com equipamentos TCSC. Os locais apropriados para instalação destes equipamentos são escolhidos com a análise dos resíduos de funções de transferência e o ajuste de parâmetros, para o projeto coordenado de controladores, utiliza o método de imposição de polos. O sistema não linear de equações, obtido com a aplicação do método de imposição de polos, supondo coeficientes de amortecimento pré-estabelecidos, é resolvido utilizando-se o método de Newton Raphson. Adicionalmente, avalia-se a possibilidade do método auxiliar na análise de interações entre controladores e identificação de acoplamentos, por meio da análise dos termos que compõem as equações de imposição de polos. / This work deals with low frequency oscillations related to inter-area modes, evaluating their impact on the performance of multi-machine electrical networks with the aim to increase the damping of these modes using TCSC. The best places to install these devices are chosen with the analysis of the residues of transfer functions and the parameter fitting for coordinated application of stabilizers is performed with the pole placement method. The nonlinear system of equations, obtained with the pole placement method, assuming specified damping factors, is solved with the Newton-Raphson method. The method is also used in the analysis of control interaction among stabilizers through the evaluation of individual parcels of the pole placement equations, as an additional feature of the approach.

Este trabalho propõe uma nova metodologia de projeto de controladores para o amortecimento de oscilações eletromecânicas de baixa freqüência em sistemas de potência. Considerando a necessidade de se aumentar a robustez dos estabilizadores clássicos frente a variações nas condições de operação, este estudo analisou uma série de requisitos práticos a serem atendidos pelos novos controladores de amortecimento e desenvolveu a metodologia proposta, de tal forma que os controladores projetados pudessem satisfazer a todos os requisitos analisados. Foram tratadas questões relativas à estrutura de controle (realimentação dinâmica descentralizada de saída), à robustez de estabilidade e desempenho (através da modelagem politópica e dos critérios de posicionamento regional de pólos) e da não atuação dos controladores em regime permanente (com a inclusão de filtros washout na modelagem). A principal vantagem desta metodologia proposta é a possibilidade de se garantir formalmente um desempenho robusto dos controladores, dentro de uma região pré-especificada de pontos de operação. Os resultados, obtidos através de simulações não lineares da resposta (para uma série de perturbações) dos sistemas escolhidos para teste, em diversas condições de operação, mostram que os controladores obtidos com a aplicação desta metodologia são capazes de manter seu desempenho frente às variações consideradas. Além disso, a obtenção de resultados satisfatórios com a aplicação desta metodologia a um sistema com 45 variáveis de estado indica boas perspectivas para a utilização conjunta da mesma com técnicas de redução do modelo de estados, para o projeto de controladores de amortecimento em sistemas reais de grande porte. / This research proposes a new methodology for the design of controllers to damp low frequency electromechanical oscillations in power systems. Considering the need to improve the robustness of the classical stabilizers, with respect to variations in the operating conditions, this study has analyzed a series of practical requirements to be met by the new damping controllers and developed the proposed methodology, so the designed controllers could satisfy all the analyzed equirements. Questions regarding the controller structure (decentralized dynamic output feedback), the robustness of stability and performance (through the polytopic modelling and the regional pole placement criteria) and the non influence of the controllers over the steady state behavior of the system (with the inclusion of washout filters in the model) were treated. The main advantage of the proposed methodology is the possibility to ensure, formally, the performance robustness of the controllers, within a previously specified region of operating points. The results, obtained through the eigenanalysis of the closed loop system and the nonlinear simulations of the system responses to a series of disturbances, in various operating conditions, show that the controllers provided by this new methodology are capable of maintaining their performance, despite the considered variations. Moreover, the satisfactory results obtained with the application of this methodology to a system with 45 state variables indicates good perspectives for the joint utilization of the methodology and model order reduction techniques, for the design of damping controllers for real-sized systems.