Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第14836号 / 工博第3133号 / 新制||工||1469(附属図書館) / 27242 / UT51-2009-F478 / 京都大学大学院工学研究科マイクロエンジニアリング専攻 / (主査)教授 小寺 秀俊, 教授 北條 正樹, 教授 田畑 修 / 学位規則第4条第1項該当

Intermolecular potential energy functions for CO2 have been developed from first principles for use in heterogeneous systems, including one with explicit polarization. The intermolecular potentials have been expressed in a transferable form and parameterized from nearly exact electronic structure calculations. Models with and without explicit many-body polarization effects, known to be important in simulation of interfacial processes, are constructed. The models have been validated on pressure-density isotherms of bulk CO2 and adsorption in three metal-organic framework (MOF) materials. The present models appear to offer advantages over high quality fluid/liquid state potentials in describing CO2 interactions in interfacial environments where sorbates adopt orientations not commonly explored in bulk fluids. Thus, the nonpolar CO2-PHAST and polarizable CO2-PHAST* potentials are recommended for materials/interfacial simulations.

The applications of elastic membrane range from determining the mechanical properties of biological cells by indentation tests to predicting the deformed shape of a large commercial tent structure. In this work, direct membrane theory and a particular Varga strain energy function are used to model the indentation and puncturing of an isotropic spherical elastic membrane containing a fluid with a rigid indenter. The balance laws are applied to obtain the governing differential equations and numerical shooting method is used to solve them. Furthermore, a global mode of failure is established by computing the energy stored at the punctured membrane and this value determines a critical value for the energy of the membrane beyond which the punctured state of the membrane is energetically preferred. An additional mode of failure is identified in which the membrane loses local convexity requirements and it corresponds to the local loss of elastic behavior of the membrane. / Graduate / 0548 / deris@Uvic.ca

For reliable service, a power system must remain stable and capable of withstanding a wide range of disturbances especially for the large interconnected systems. In the last decade and a half and in particular after the famous blackout in N.Y. U.S.A. 1965, considerable research effort has gone in to the stability investigation of power systems. To deal with the requirements of real power systems, various stabilizing control techniques were being developed over the last decade. Conventional control engineering approaches are unable to effectively deal with system complexity, nonlinearities, parameters variations and uncertainties. This dissertation presents a non-linear control technique which relies on prediction of the large power system behaviour. One example of a large modern power system formed by interconnecting the power systems of various states is the South-Eastern Australian power network made up of the power systems of Queensland, New South Wales, Victoria and South Australia. The Model Predictive Control (MPC) for the total power system has been shown to be successful in addressing many large scale nonlinear control problems. However, for application to the high order problems of power systems and given the fast control response required, total MPC is still expensive and is structured for centralized control. This thesis develops a MPC algorithm to control the field currents of generators incorporating them in a decentralized overall control scheme. MPC decisions are based on optimizing the control action in accordance with the predictions of an identified power system model so that the desired response is obtained. Energy Function based design provides good control for direct influence items such as SVC (Static Var Compensators), FACTS (Flexible AC Transmission System) or series compensators and can be used to define the desired flux for generator. The approach in this thesis is to use the design flux for best system control as a reference for MPC. Given even a simple model of the relation between input control signal and the resulting machine flux, the MPC can be used to find the control sequence which will start the correct tracking. The continual recalculation of short time optimal control and then using only the initial control value provides a form of feedback control for the system in the desired tracking task but in a manner which retains the nonlinearity of the model.

O dispositivo TCSC vem sendo utilizado com grande eficiência em sistemas elétricos de potência para melhoriada estabilidade transitóriaa e para fornecer amortecimento às oscilações eletromecânicas.Diversos trabalhos vêm sendo desenvolvidos como intuito desintetizar leis de controle para estes dispositivos. A maioria das técnicas empregadas para o projeto de controle em sistemas elétricos de potência utilizam modelos linearizados. Controladores projetados com técnicas lineares podem perder eficiência quando este ponto de operação varia de forma significativa. Controladores não lineares podem oferecer maior robustez a estas variações. Dentre várias técnicas de projeto de controle não linear, os métodos baseado sem funções de Lyapunov e/ou funções energia têm sido amplamente utilizados em sistemas elétricos de potência. Estas técnicas requerem a existência de uma função de Lyapunov e/ou função energia para o projeto, entretanto, mostrou-se que não existem funções de Lyapunov e/ou funções energia gerais para modelos de sistemas elétricos mais complexos que consideram, por exemplo, as perdas do sistema.Funções energia generalizadas (FEG) surgiram como uma alternativa para lidar com estas classes de modelos que apresentam comportamento complexo. Apresentamos neste trabalho uma função energia generalizada para modelos de sistemas elétricos de potência preservando a estruturada rede elétrica, comum modelo de terceira ordem para os geradores síncronos e considerando as perdas no sistema de transmissão. Com a FEG proposta, sintetizamos leis de controle não lineares para dispositivos TCSC, que independe da topologia da rede, utilizando sinais de realimentação locais e/ou remotos. As leis de controle projetadas melhoram significativamente a dinâmica do sistema e aumentam consideravelmente a região de estabilidade do sistema. / The TCSC device has been used with great efficiency in electric power systems to improve transient stability and to provide damping to electromechanical oscillations. Several studies have been developed in order to synthesize control laws for these devices. Most of the techniques used to design controller in electric power systems use linearized models. Controllers designed with linear techniques can lose efficiency when the operating point varies significantly. Nonlinear controllers can provide robustness to these variations. Among various techniques for non linear control design, the ones based on Lyapunov functions and/or energy function shave been widely used in electric power systems. These techniques require the existence of a Lyapunov function and/or energy function for the design, however, it was shown the non existence of Lyapunov function and/or general energy function for comprehensive electrical power system models, such as,system with losses. Generalized energy functions emerged as an alternative to deal with these classes of models that exhibit complex behavior. Herewer develop a generalized energy function to electrical power system models preserving the structure of the network, with a third-order model for synchronous generators and considering losses in the transmission system. With the proposed generalized energy function, nonlinear control laws are synthesized for TCSC devices, which are independent of the network topology, employ local and/or remote feedback signals. The designed control laws significantly improve the system dynamics and greatly increase stability regions of electrical power system.

O dispositivo TCSC vem sendo utilizado com grande eficiência em sistemas elétricos de potência para melhoriada estabilidade transitóriaa e para fornecer amortecimento às oscilações eletromecânicas.Diversos trabalhos vêm sendo desenvolvidos como intuito desintetizar leis de controle para estes dispositivos. A maioria das técnicas empregadas para o projeto de controle em sistemas elétricos de potência utilizam modelos linearizados. Controladores projetados com técnicas lineares podem perder eficiência quando este ponto de operação varia de forma significativa. Controladores não lineares podem oferecer maior robustez a estas variações. Dentre várias técnicas de projeto de controle não linear, os métodos baseado sem funções de Lyapunov e/ou funções energia têm sido amplamente utilizados em sistemas elétricos de potência. Estas técnicas requerem a existência de uma função de Lyapunov e/ou função energia para o projeto, entretanto, mostrou-se que não existem funções de Lyapunov e/ou funções energia gerais para modelos de sistemas elétricos mais complexos que consideram, por exemplo, as perdas do sistema.Funções energia generalizadas (FEG) surgiram como uma alternativa para lidar com estas classes de modelos que apresentam comportamento complexo. Apresentamos neste trabalho uma função energia generalizada para modelos de sistemas elétricos de potência preservando a estruturada rede elétrica, comum modelo de terceira ordem para os geradores síncronos e considerando as perdas no sistema de transmissão. Com a FEG proposta, sintetizamos leis de controle não lineares para dispositivos TCSC, que independe da topologia da rede, utilizando sinais de realimentação locais e/ou remotos. As leis de controle projetadas melhoram significativamente a dinâmica do sistema e aumentam consideravelmente a região de estabilidade do sistema. / The TCSC device has been used with great efficiency in electric power systems to improve transient stability and to provide damping to electromechanical oscillations. Several studies have been developed in order to synthesize control laws for these devices. Most of the techniques used to design controller in electric power systems use linearized models. Controllers designed with linear techniques can lose efficiency when the operating point varies significantly. Nonlinear controllers can provide robustness to these variations. Among various techniques for non linear control design, the ones based on Lyapunov functions and/or energy function shave been widely used in electric power systems. These techniques require the existence of a Lyapunov function and/or energy function for the design, however, it was shown the non existence of Lyapunov function and/or general energy function for comprehensive electrical power system models, such as,system with losses. Generalized energy functions emerged as an alternative to deal with these classes of models that exhibit complex behavior. Herewer develop a generalized energy function to electrical power system models preserving the structure of the network, with a third-order model for synchronous generators and considering losses in the transmission system. With the proposed generalized energy function, nonlinear control laws are synthesized for TCSC devices, which are independent of the network topology, employ local and/or remote feedback signals. The designed control laws significantly improve the system dynamics and greatly increase stability regions of electrical power system.

O TCSC é um dos compensadores dinâmicos mais eficazes empregados em Sistemas Elétricos de Potência, pois, oferece um ajuste flexível, de forma rápida e confiável, possibilitando a aplicação de teorias avançadas no seu controle. Estes dispositivos podem desempenhar funções importantes para a operação e o controle do sistema, trazendo inúmeros benefícios. Devido aos benefícios que o uso deste dispositivo oferece, uma grande quantidade de trabalhos vem sendo desenvolvidos com o intuito de sintetizar leis de controle para o mesmo. Porém, a maioria destes trabalhos é fundamentado em técnicas de controle clássico, isto é, projetando leis de controle baseado em sistemas linearizados e para pontos específicos da operação. Estas técnicas de análise entretanto, não garantem que para perturbações que levam o sistema para pontos distantes daqueles usados no projeto do controlador, a atuação do controlador seja eficaz e contribua assim para a estabilização do sistema. Visando o estudo mais aprofundado dos fenômenos que ocorrem nos sistemas físicos, modelos não lineares vêm sendo empregados, e as técnicas de projeto de controladores baseadas nesses modelos, são cada vez mais desenvolvidas. Neste trabalho será empregada a técnica de controle não linear baseada na Função Energia Generalizada de Controle para síntese de leis de controles estabilizantes para os dispositivos TCSC considerando, na modelagem, as perdas do sistema de transmissão. Esta técnica foi desenvolvida recentemente por SILVA et al. (2009), onde as ideias de Função de Lyapunov de Controle para uma classe maior de problemas foram desenvolvidas. Além de permitir o projeto do controlador, a técnica fornece estimativas da região de estabilidade do sistema e, portanto, podendo subsidiar a avaliação sistemática da contribuição do controlador na estabilidade transitória. / The TCSC is one of the most effective dynamic compensators used in electric power systems, offering a flexible adjustment, quickly and reliably, enabling the application of advanced theories in their control. These devices can play important roles for the operation and control of the networks, bringing many benefits. Because of the beneficial use of these devices a large amount of work has been developed in order to synthesize their control laws. However most of these studies are based on the classical control techniques, designing control laws based on linearized systems at specific operating points. However, these techniques do not guarantee that system disturbances which lead to operating points far away from those used for the controller design, the performance of the controller will be effective contributing to the system stabilization. Aiming to further studies and understanding of the physical phenomena occurring in the real world systems, nonlinear models have being employed in the controller design and techniques based on these methodologies have been proposed as never. In this work the technique of nonlinear control based on the Generalized Control Energy Function, for synthesis of control laws, which stabilize the TCSC devices considering the losses in the system transmission lines are employed. These techniques were recently developed by SILVA et al. (2009), and they extend the ideas of Control Lyapunov Function for a larger class of problems. Besides allowing the controller design, the technique provides estimates of the system stability region and therefore can support the systematic evaluation of the contribution to the transient stability controller.

O TCSC é um dos compensadores dinâmicos mais eficazes empregados em Sistemas Elétricos de Potência, pois, oferece um ajuste flexível, de forma rápida e confiável, possibilitando a aplicação de teorias avançadas no seu controle. Estes dispositivos podem desempenhar funções importantes para a operação e o controle do sistema, trazendo inúmeros benefícios. Devido aos benefícios que o uso deste dispositivo oferece, uma grande quantidade de trabalhos vem sendo desenvolvidos com o intuito de sintetizar leis de controle para o mesmo. Porém, a maioria destes trabalhos é fundamentado em técnicas de controle clássico, isto é, projetando leis de controle baseado em sistemas linearizados e para pontos específicos da operação. Estas técnicas de análise entretanto, não garantem que para perturbações que levam o sistema para pontos distantes daqueles usados no projeto do controlador, a atuação do controlador seja eficaz e contribua assim para a estabilização do sistema. Visando o estudo mais aprofundado dos fenômenos que ocorrem nos sistemas físicos, modelos não lineares vêm sendo empregados, e as técnicas de projeto de controladores baseadas nesses modelos, são cada vez mais desenvolvidas. Neste trabalho será empregada a técnica de controle não linear baseada na Função Energia Generalizada de Controle para síntese de leis de controles estabilizantes para os dispositivos TCSC considerando, na modelagem, as perdas do sistema de transmissão. Esta técnica foi desenvolvida recentemente por SILVA et al. (2009), onde as ideias de Função de Lyapunov de Controle para uma classe maior de problemas foram desenvolvidas. Além de permitir o projeto do controlador, a técnica fornece estimativas da região de estabilidade do sistema e, portanto, podendo subsidiar a avaliação sistemática da contribuição do controlador na estabilidade transitória. / The TCSC is one of the most effective dynamic compensators used in electric power systems, offering a flexible adjustment, quickly and reliably, enabling the application of advanced theories in their control. These devices can play important roles for the operation and control of the networks, bringing many benefits. Because of the beneficial use of these devices a large amount of work has been developed in order to synthesize their control laws. However most of these studies are based on the classical control techniques, designing control laws based on linearized systems at specific operating points. However, these techniques do not guarantee that system disturbances which lead to operating points far away from those used for the controller design, the performance of the controller will be effective contributing to the system stabilization. Aiming to further studies and understanding of the physical phenomena occurring in the real world systems, nonlinear models have being employed in the controller design and techniques based on these methodologies have been proposed as never. In this work the technique of nonlinear control based on the Generalized Control Energy Function, for synthesis of control laws, which stabilize the TCSC devices considering the losses in the system transmission lines are employed. These techniques were recently developed by SILVA et al. (2009), and they extend the ideas of Control Lyapunov Function for a larger class of problems. Besides allowing the controller design, the technique provides estimates of the system stability region and therefore can support the systematic evaluation of the contribution to the transient stability controller.

Stability analysis methods may be categorized by two major stability analysis methods: small-signal stability and transient stability analyses. Transient stability methods are further categorized into two major categories: numerical methods based on numerical integration, and direct methods. The purpose of this thesis is to study and investigate transient stability analysis using a combination of step-by-step and direct methods using Equal Area Criterion. The proposed method is extended for transient stability analysis of multi machine power systems. The proposed method calculates the potential and kinetic energies for all machines in a power system and then compares the largest group of kinetic energies to the smallest groups of potential energies. A decision based on the comparison can be made to determine stability of the power system. The proposed method is used to simulate the IEEE 39 Bus system to verify its effectiveness by comparison to the results obtained by pure numerical methods.

Sistemas Elétricos de Potência (SEPs) muitas vezes não são capazes de retomarem a uma nova condição de equilíbrio após grandes perdas de geração ou mesmo pela retirada de importantes linhas de transmissão. O déficit de potência causado por alguns desses distúrbios pode acarretar no declínio gradual da freqüência do sistema. Caso a reserva girante ou o próprio sistema de transmissão não sejam capazes de recompor o SEP, medidas corretivas devem ser tomadas para evitar o colapso do mesmo. Nesta condição de emergência, um montante de carga deve ser desconectado de forma a restaurar uma nova condição de equilíbrio através de um esquema emergencial conhecido como plano de corte de carga por subfrequência. Muitos trabalhos vem sendo desenvolvidos ao longo dos anos, nos quais são propostas diferentes técnicas para a determinação de planos de corte de carga. Na maioria delas utiliza-se uma modelagem equivalente e linearizada do sistema. Tais simplificações trazem grandes facilidades para a representação do sistema. Porém, para que a integridade do mesmo seja garantida, muitas vezes os planos de corte de carga envolvem montantes de carga maiores que o necessário. A metodologia apresentada neste trabalho utiliza uma representação não linear para o SEP, o que permite um estudo do comportamento dinâmico de suas unidades geradoras para que os limites de frequência sejam determinados. Assim, os planos podem ser determinados com eficiência, reduzindo o número de consumidores desprovidos de energia elétrica durante o processo de alívio de carga. Entretanto, a escolha de um modelo mais completo para a representação do sistema pode acarretar num grande esforço na análise e determinação dos esquemas de alívio de carga, quando aplicados em sistemas de grande porte. Sendo assim, é proposta neste trabalho uma metodologia capaz de auxiliar tais estudos, o que diminui os esforços tanto da parte computacional quanto da parte empregada pelo projetista. Uma abordagem energética é aplicada ao problema e, dessa forma, dada uma perda de geração é possível determinar o valor mínimo de frequência atingido pelo sistema sem que haja a necessidade de se conhecer a trajetória do ponto de operação do sistema. Portanto, é proposta uma metodologia baseada em funções energia para a determinação de planos de corte de carga e, posteriormente, são realizadas simulações em uma representação simplificada de um sistema elétrico de potência para a validação da mesma. Também é mostrado o comportamento da frequência do sistema durante uma condição de subfrequência sobre duas perspectivas. Uma delas utiliza-se de uma modelagem não linear para a representação do sistema e a outra utiliza-se do modelo linearizado para a representação deste mesmo sistema. Este trabalho tem por finalidade o estudo e modelagem matemática do problema emergencial de alívio de carga de uma forma introdutória, para que posteriormente, possa ser desenvolvida de uma ferramenta capaz de auxiliar tais estudos. O método proposto demonstrou-se muito promissor, apesar das simplificações utilizadas para a construção do modelo. / Electric power systems (EPS) are not always capable of achieving a new stable equilibrium point after a severe generation loss or even after the loss of important transmission lines. The lack of active power generation caused by some of these disturbances can lead to a gradual decay of the system frequency. If the spinning reserve or even the bulk transmission system are not capable of restoring the system, then, corrective actions should be taken to avoid a system collapse. Under this emergency condition, a portion of the load should be disconnected, as a way to restore a new stable equilibrium condition, through an emergency scheme known as under frequency load shedding (UFLS). Several works have been developed in this field throughout the years, in which different techniques are proposed to determine the load shedding schemes. The majority of these works use an equivalent linearized model of the system, which facilitates the system representation. However, in order to keep the integrity of the system, it is common to overestimate the shedding of loads. The validation of load shedding schemes that use a linear methodology is generally performed through simulations based on nonlinear models of the whole system. The methodology presented in this work uses a nonlinear representation for the EPS for developing an UFLS scheme, which permits a study of the dynamic behavior of its generators in order to find the frequency limits. ln this way, the schemes can be efficiently determined, aiming a reduction on the number of consumers affected by the load shedding scheme, and avoiding additional simulations to validate the designed scheme. An energetic approach is applied to the problem and, in this way, given a generation loss it is possible to determine the minimum frequency value achieved by the system without the need for the knowledge of the trajectory of the system\'s operating point. Voltage regulators and speed governors are neglected, and the loads and network equipments are represented through a constant impedance model, whereas the generators are modeled through its classical model.