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Tecnologias HVDC que utilizam conversores do tipo fonte de tensão, o VSC-HVDC, ainda não são completamente difundidas e aplicadas no Brasil, em contraste com outros países que começaram a estudar e empregar este tipo de transmissão. Comparado com o HVDC tradicional, o VSC-HVDC é uma tecnologia de transmissão mais eficiente e pode superar deficiências encontradas na transmissão em corrente contínua convencional. O VSC-HVDC pode ser utilizado de maneira mais eficiente nas novas redes de energia, para alimentar ilhas, integração de geração eólica, renovação das linhas em centros urbanos, aplicações multiterminais e conexão com sistemas fracos. Por se tratar de uma tecnologia recente, o VSC-HVDC ainda não é amplamente adotado e uma das principais limitações da utilização destes sistemas é a sua fragilidade diante faltas na linha de corrente contínua. Neste contexto, limitadores de corrente de falta (LCF) podem ser utilizados para minimizar o impacto das faltas. A ação dos limitadores é benéfica ao sistema durante condições de falta, contudo, ainda assim é necessária a atuação do sistema de proteção para extinguir a condição faltosa. Portanto, este trabalho visa propor e avaliar um novo esquema de proteção que opere de maneira seletiva e confiável para sistemas VSC-HVDC na presença de LCF baseados em materiais supercondutores ou LCF indutivos. Para tanto, foram implementadas quatro funções de proteção tradicionais das linhas em CC, a saber: direcional de corrente, diferencial, sobrecorrente com restrição de tensão e ondas viajantes, e ainda, foi proposta uma nova função de proteção, a de condutância, a qual apresentou o menor tempo de identificação de falta, considerando as faltas mais severas. Adicionalmente, foi avaliado o comportamento destas funções quando o sistema apresenta os LCF em série com a linha. Foi demonstrado que é possível extrair os benefícios dos LCF sem deteriorar a qualidade dos resultados das funções de proteção, o que aumenta a segurança e confiabilidade dos sistemas VSC-HVDC, uma vez que os impactos das faltas são minimizados e as mesmas são identificadas em um curto intervalo de tempo. / HVDC technology based on voltage source converters, VSC-HVDC, are not yet fully disseminated and applied in Brazil, in contrast to other countries that have begun to study and widely employ this type of transmission technology. When compared with traditional HVDC systems, VSC-HVDC systems are more efficient and can overcome the challenges encountered in the conventional direct current transmission. The VSC-HVDC can be used more efficiently in the new energy networks to feed islands, integration of wind generation, renewal of lines in urban centers, multiterminal applications and connection with weak systems. Because it is a recent technology, VSC-HVDC is not yet widely adopted and a major limitation of using these systems is their weakness against faults in the DC line. In this context, fault current limiters (FCL) can be used to minimize the impact of faults. The action of the limiters is beneficial to the system during fault conditions, however, the use of protection schemes to detect the fault and extinguish the faulty condition is still required. Therefore, this work aims to propose and evaluate a new protection scheme operating in selective and reliable way for VSC-HVDC systems in the presence of FCL based in superconductor materials or inductive FCL. To reach such a goal, in this work it has been implemented four traditional DC lines protection functions, namely: directional current, differential, overcurrent with voltage restraint and traveling waves, and also proposed a new protection function, which is based on the conductance. This last protection function has presented the lowest detection time, when considering the most severe faults. In addition, it was evaluated the behavior of these functions when the system presents the FCL in series with the DC line. It has been shown that it is possible to extract the benefits of FCL without deteriorating the quality of the results of the protection functions, which increases the safety and reliability of the VSC-HVDC systems, since the impact of faults is minimized and they are identified in a short time.

Tecnologias HVDC que utilizam conversores do tipo fonte de tensão, o VSC-HVDC, ainda não são completamente difundidas e aplicadas no Brasil, em contraste com outros países que começaram a estudar e empregar este tipo de transmissão. Comparado com o HVDC tradicional, o VSC-HVDC é uma tecnologia de transmissão mais eficiente e pode superar deficiências encontradas na transmissão em corrente contínua convencional. O VSC-HVDC pode ser utilizado de maneira mais eficiente nas novas redes de energia, para alimentar ilhas, integração de geração eólica, renovação das linhas em centros urbanos, aplicações multiterminais e conexão com sistemas fracos. Por se tratar de uma tecnologia recente, o VSC-HVDC ainda não é amplamente adotado e uma das principais limitações da utilização destes sistemas é a sua fragilidade diante faltas na linha de corrente contínua. Neste contexto, limitadores de corrente de falta (LCF) podem ser utilizados para minimizar o impacto das faltas. A ação dos limitadores é benéfica ao sistema durante condições de falta, contudo, ainda assim é necessária a atuação do sistema de proteção para extinguir a condição faltosa. Portanto, este trabalho visa propor e avaliar um novo esquema de proteção que opere de maneira seletiva e confiável para sistemas VSC-HVDC na presença de LCF baseados em materiais supercondutores ou LCF indutivos. Para tanto, foram implementadas quatro funções de proteção tradicionais das linhas em CC, a saber: direcional de corrente, diferencial, sobrecorrente com restrição de tensão e ondas viajantes, e ainda, foi proposta uma nova função de proteção, a de condutância, a qual apresentou o menor tempo de identificação de falta, considerando as faltas mais severas. Adicionalmente, foi avaliado o comportamento destas funções quando o sistema apresenta os LCF em série com a linha. Foi demonstrado que é possível extrair os benefícios dos LCF sem deteriorar a qualidade dos resultados das funções de proteção, o que aumenta a segurança e confiabilidade dos sistemas VSC-HVDC, uma vez que os impactos das faltas são minimizados e as mesmas são identificadas em um curto intervalo de tempo. / HVDC technology based on voltage source converters, VSC-HVDC, are not yet fully disseminated and applied in Brazil, in contrast to other countries that have begun to study and widely employ this type of transmission technology. When compared with traditional HVDC systems, VSC-HVDC systems are more efficient and can overcome the challenges encountered in the conventional direct current transmission. The VSC-HVDC can be used more efficiently in the new energy networks to feed islands, integration of wind generation, renewal of lines in urban centers, multiterminal applications and connection with weak systems. Because it is a recent technology, VSC-HVDC is not yet widely adopted and a major limitation of using these systems is their weakness against faults in the DC line. In this context, fault current limiters (FCL) can be used to minimize the impact of faults. The action of the limiters is beneficial to the system during fault conditions, however, the use of protection schemes to detect the fault and extinguish the faulty condition is still required. Therefore, this work aims to propose and evaluate a new protection scheme operating in selective and reliable way for VSC-HVDC systems in the presence of FCL based in superconductor materials or inductive FCL. To reach such a goal, in this work it has been implemented four traditional DC lines protection functions, namely: directional current, differential, overcurrent with voltage restraint and traveling waves, and also proposed a new protection function, which is based on the conductance. This last protection function has presented the lowest detection time, when considering the most severe faults. In addition, it was evaluated the behavior of these functions when the system presents the FCL in series with the DC line. It has been shown that it is possible to extract the benefits of FCL without deteriorating the quality of the results of the protection functions, which increases the safety and reliability of the VSC-HVDC systems, since the impact of faults is minimized and they are identified in a short time.

For effective operation of microgrid systems (MGSs), it is important to understand the major types of power grid failures and how to deal with them. Detecting the fault, locating it, and isolating the faulty line are important to avoid damaging components and interrupting the service for customers. This will also improve the reliability and protection level of the system during fault conditions. Among the most successful protection methods to limit fault currents in power systems is the fault current limiter (FCL). The FCL improves the reliability of the system, voltage stability, and the fault current reduction. However, limited researches consider its applications inMGSs. The location and impedance size of the FCL play a major role in limiting fault currents in the system. Several studies concluded that installing FCLs near all generators, transformers, or loads in the system enhanced the performance of the system during fault conditions. However, increasing the number of FCLs in the system leads to an increase in cost. This dissertation proposes several effective approaches to specify the optimal locations and impedance values of the required number of installed FCLs in a grid-connected MGS. These FCLs improve the reliability and the protection level of the system by limiting fault currents during fault conditions. The goal is to reduce the required number of installed FCLs in the system. These installed FCLs must be able to reduce fault currents under the interrupting ratings of circuit breakers in the system. This goal will lead to lower the cost of installed protection devices in the system. In order to achieve this goal, this dissertation presents a novel fault management approach, sensitivity analysis, and an optimization model to find the optimal solutions. The study of this dissertation is meant to be used during the planning stage of power distribution system design. The results of this dissertation prove the robustness of the proposed approaches. This enhances the system’s performance while minimizing the required number of installed FCLs. Their sizes limit fault currents within safe ranges. Thus, the FCL significantly improves the reliability and protection scheme of the grid-connected MGS.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This dissertation presents the development of methodologies that aim to reduce the effect of distributed generation sources in the protection of electric power systems. First were analyzed problems associated with integration of Distributed Generation sources in electric power systems, focusing on the influence of these sources in protecting these systems. Considering the problem associated with increased short circuit current and its resulting influence on overcurrent, it's developed a methodology that aims to restore the coordination of such devices by inserting fault current limiters together with sources of GD installed. In a second step is developed a method for allocation of fault current limiters in distribution systems for which insertion of source GD does not cause a miscoordination between fuses and reclosers. This methodology uses genetic algorithms and aims to determine the installation location and sizing of limiters. Coordination between the fuses and also between these and reclosers is verified, and if necessary, it is suggested to replace equipment that was overloaded. The developed methodologies aimed at minimizing the cost of replacing equipment and limiters so that the limiters are allocated considering not only the optimal location and sizing, as well as the number of devices to be replaced. / Essa dissertação apresenta o desenvolvimento de metodologias que visam reduzir o efeito da inserção de fontes de Geração Distribuída na proteção de sistemas elétricos de potência. Primeiramente foram analisados problemas associados à inserção das fontes de Geração Distribuída em sistemas elétricos de potência, focando na influência dessas fontes na proteção desses sistemas. Considerando o problema associado ao aumento da corrente de curto-circuito e sua consequente influência nos relés de sobrecorrente, desenvolve-se uma metodologia que visa restaurar a coordenação desses dispositivos através da inserção de limitadores de corrente de falta juntamente com as fontes de GD instaladas. Em um segundo momento desenvolveu-se um método para a alocação dos limitadores de corrente de falta em sistemas de distribuição para que a inserção das fontes de GD não cause uma descoordenação entre elos-fusíveis e religadores. Essa metodologia faz uso de algoritmos genéticos e visa determinar o local de instalação e o dimensionamento dos limitadores. Verifica-se a coordenação entre os elos fusíveis e também entre elos e religador, e se necessário, sugere-se para substituição de equipamentos superados. As metodologias desenvolvidas têm como objetivo a minimização dos custos de limitadores e a substituição de equipamentos de forma que os limitadores são alocados considerando-se não só o local e dimensionamento ótimos, como também o número de dispositivos a serem substituídos.