[pt] A topologia do sistema elétrico de potência vem se modificando devido à inserção da chamada Geração Distribuída ou Geração Dispersa, permitindo o atendimento da demanda crescente e, muitas vezes, mais próxima aos centros de consumo. Este tipo de geração tem sido explorado especialmente a partir de fontes renováveis não convencionais, como a eólica e a solar. Esta nova configuração do sistema traz questões de operação, controle e proteção. As ferramentas computacionais atualmente aplicadas nas análises dinâmicas terão que ser revistas de forma a incluir modelos que contemplem o comportamento estático e dinâmico dos novos elementos e seu impacto na rede interligada. Esta dissertação estuda, através de simulação dinâmica, o impacto da geração eólica, no comportamento dos esquemas de detecção de ilhamento diante de contingências que geram condições adversas na sub-rede ilhada com a geração dispersa. Para tanto, os geradores são modelados, considerando seus respectivos controles, de forma a aumentar a acurácia nas simulações dinâmicas dos sistemas com geração dispersa em situações de ilhamento, tendo em conta a seletividade e coordenação dos dispositivos de proteção. Finalmente, o trabalho propõe novas técnicas de implantação dos esquemas de detecção para este novo cenário nos sistemas elétricos. / [en] The typical electric power system topology has been changing as the so-called Distributed or Dispersed Generation, often located closer to the load centers, has been inserted into the power grid in order to meet the power demand growth. Some renewable sources, such as wind power and photovoltaic panels, are the most representative types of Dispersed Generation in this scenario. However, this new system configuration brings up operation, control and protection issues. The computer tools currently applied in dynamic studies will have to be revised in order to include models that represent correctly the steady state and the dynamic behavior of these new elements and their impact on the interconnected power system. This dissertation assesses, through dynamic simulation, the impact of dispersed generation, including wind power, on the islanding detection scheme behavior for events that generate adverse conditions on an islanded sub-grid with dispersed generation. The generators are modeled with their controllers in order to improve the dynamic simulation accuracy of the system in islanding situations taking into account the protection devices selectivity and coordination. Additionally, the work proposes a set of new techniques for the implementation of detection schemes applied in this new power system scenario.

A proteção de Sistemas de Distribuição (SDs) é de fundamental importância considerando as condições adversas de operação e faltas elétricas a que os mesmos podem estar submetidos. A crescente utilização de Geradores Distribuídos (GDs) conectados aos SDs e as possíveis operações em ilhamento promovem interferências consideráveis aos dispositivos de proteção. Dessa forma, evidencia-se a importância de estudos para esses novos cenários. Neste contexto, esta pesquisa tem como proposta analisar o desempenho do sistema de proteção, quando na presença de uma elevada contribuição de geração distribuída, e aprimorar a proteção tradicional, quando tem-se a mudança do cenário de operação para o modo ilhado. Sendo assim, evidencia-se através de simulações no Real-Time Digital Simulator (RTDS) os efeitos da perturbação nos Relés de Sobrecorrente (RSC). Na metodologia desenvolvida implementa-se um sistema de proteção adaptativo, cujos parâmetros são definidos por um algoritmo de otimização. Também são adicionadas as proteções associadas aos GDs, recomendadas por norma. Tal prática é dificilmente abordada em trabalhos correlatos a pesquisa, no entanto através dos resultados observou-se que esses dispositivos podem influenciar na respostas dos elementos de proteção implementados nos SDs. Como diferencial também buscou-se implementar todo o sistema de controle dos GDs e utilizou-se da simulação em malha fechada com relés comerciais, afim de aproximar a modelagem da realidade encontrada nos SDs. Por fim, evidenciou-se que a utilização de relés adaptativos pode viabilizar a operação em ilhamento. / The protection of Distribution Systems (DSs) is of fundamental importance, considering the adverse operating conditions and electrical faults to which they may be submitted. The increasing usage of Distributed Generators (DGs) connected to DSs, and possible islanded operations promote considerable interference to protective devices. Thus, it is evident the importance of studies for these new scenarios.This research aims to analyze the performance of the protection system, when in the presence of a massive contribution of distributed generation, and to improve the traditional protection when there is a change from the operating scenario to island mode. Thus, via simulations, carried out in the Real-Time Digital Simulator (RTDS), the effects of the disturbance on the Overcurrent Relays (OCs) were evident. The developed methodology implements an adaptive protection system, whose parameters are defined by an optimization algorithm. The protections associated with DGs were also added, as recommended by the standard. This practice is hardly approached in related studies however, through the results, it was observed that these devices could influence the responses of the protective elements implemented. The closed-loop simulations carried out considering the standard controls systems regarding DGs and commercial intelligent eletronic devices, ensuring the test bed verisimilitude to actual DSs. This approach is not standard on the literature related. Finally, it was evidenced that the use of adaptive relays can contribute to the islanded operation.

A conexão de Geradores Distribuídos (GDs) no sistema de distribuição vem se intensificando nos últimos anos. Neste cenário, o aumento de GDs pode trazer alguns benefícios, como a redundância da geração e redução das perdas elétricas. Por outro lado, o problema do ilhamento também vem se destacando. Atualmente, existem técnicas já consolidadas para a detecção do ilhamento, sendo que as técnicas passivas estão entre as mais utilizadas. Entretanto, as técnicas passivas são bastante dependentes do desbalanço de potência entre a geração e as cargas no momento de ocorrência do ilhamento para atuarem corretamente. Caso o desbalanço de potência seja pequeno, as técnicas passivas tendem a não identificar o ilhamento, gerando as chamadas Zonas de Não Detecção (ZNDs). Para mitigar este problema, a pesquisa por técnicas passivas inteligentes baseadas em aprendizagem de máquina vem se tornando cada vez mais comum. Neste trabalho foi modelada uma proteção anti-ilhamento baseada em Redes Neurais Artificiais (RNAs). A classificação do ilhamento é feita com base no espectro de frequência das tensões nos terminais do GD com o uso da Transformada de Stockwell, ou apenas Transformada S (TS). Outro ponto importante da metodologia foi a implementação de uma etapa de detecção de eventos, também baseada nas energias do espectro de frequência das tensões, para evitar a constante execução do classificador. Assim, a RNA apenas irá classificar o evento após receber um sinal de trigger da etapa de detecção de evento. Para o treinamento da RNA foram testados dois algoritmos diferentes, o clássico Backpropagation (BP) e a Máquina de Aprendizado Extremo, do inglês Extreme Learning Machine (ELM). Ressalta-se o melhor desempenho obtido com as redes treinadas pelo ELM, que apresentaram uma capacidade de generalização muito maior, logo, resultando em taxas de acerto mais elevadas. De modo geral, depois de comparada com métodos passivos convencionais para a detecção de ilhamento, a proteção proposta se mostrou mais precisa e com um tempo de detecção muito menor, sendo inferior a 2 ciclos. Por fim, ainda foi realizada a análise das ZNDs para a proteção proposta e as técnicas convencionais, por ser uma característica muito importante para a proteção antiilhamento, mas que não é comumente abordada para técnicas passivas inteligentes. Nesta análise, o método para a detecção de ilhamento proposto novamente se sobressaiu às técnicas convencionais, apresentado uma ZND muito menor. / The connection of distributed generators (DG) in the distribution system has been intensified in the recent years. In this scenario, the increase of DG can bring some benefits, such as generation redundancy and reduction of power losses. On the other hand, the problem of islanding is also been highlighted. Currently, there are already consolidated techniques for islanding detection, and passive techniques are among the most used ones. However, the passive techniques are very dependent of the power unbalance between the generation and the loads at the moment of the islanding in order to actuate properly. If the power mismatch is small, the passive techniques tend to not identify the islanding, generating the so called Non-Detection Zones (NDZ). To mitigate this issue, the research of intelligent passive techniques based in machine learning is becoming more common. In this study, an anti-islanding protection based on Artificial Neural Networks (ANN) was modelled. The islanding classification is done based on the frequency spectrum of the DG\'s terminal voltages using the Stockwell Transform, or just S-Transform (ST). Another important point of the methodology was the implementation of an event detection stage, also based on the energies of the voltages frequency spectrum, to avoid the constant execution of the classifier. Therefore, the ANN will only classify the event after receiving a trigger signal from the event detection stage. To train the ANN, two different algorithms were tested: the classic Backpropagation and the Extreme Learning Machine (ELM). It is noteworthy the better performance obtained with the neural networks trained by the ELM, which had a greater capacity of generalization, hence resulting in higher success rates. In general, after being compared with conventional passive techniques for islanding detection, the proposed protection was more accurate and with a much smaller detection time, being less than 2 cycles. Finally, the analysis of the NDZ for the proposed protection and the conventional techniques was carried out, as it is a very important feature for anti-islanding protection, but is not commonly addressed for intelligent passive techniques. In this analysis, the islanding detection method proposed again overcame the conventional techniques, presenting a much smaller NDZ.

Neste trabalho, um novo método grafo-algébrico para o projeto de ilhamento intencional é proposto. O ilhamento intencional é um dos últimos recursos utilizados pelos operadores para evitar um colapso total do sistema elétrico. Ele objetiva dividir um sistema elétrico em dois ou mais subsistemas estáveis quando não é possível garantir a estabilidade do sistema interligado. O método desenvolvido é uma extensão de um método grafo-algébrico, baseado na fatoração da matriz incidência ramo-nó e que foi desenvolvido para a identificação de ilhamento não intencional, para o problema de projeto de ilhamento intencional. A aplicação da fatoração da matriz incidência ramo-nó no problema de projeto de ilhamento é contribuição inédita deste trabalho. O método proposto identifica os conjuntos de corte, compostos por linhas de transmissão/transformadores (ramos), aptos a dividir um sistema elétrico de potência conexo em dois ou mais subsistemas (ilhas), sob a condição de um número mínimo, previamente estabelecido, de ramos interrompidos ou uma interrupção mínima de fluxo de potência ativa. A identificação dos conjuntos de cortes é realizada por meio de uma fatoração ordenada da matriz incidência nó-ramo e por um processo de regularização de cortes. O método foi testado com resultados promissores em alguns sistemas elétricos de pequeno e médio porte. Apresentou boas características que sugerem que o mesmo seja adequado para aplicações em tempo real. O método fornece a informação das barras que formam cada ilha, adapta-se facilmente a mudanças na topologia e pode ser facilmente implementado com rotinas já existentes nos programas de computador comumente utilizados para análise de sistemas elétricos de potência. Trabalhos futuros são necessários para testar a metodologia em sistemas de maior porte, para avaliar a eficiência computacional do método e comparar com a eficiência de outros métodos relatados na literatura. / In this work , a new graph-algebraic method for the design of intentional islanding is proposed. Intentional islanding is one of the last resources used by the Power Electrical System Operators to avoid a total collapse of the electrical system. It aims to divide a power system into two or more stable subsystems when it is not possible to guarantee the stability of the interconnected system. The developed method is an extension of a graph-algebraic method, which is based on a factorization of the branch-node incidence matrix and which was developed to identify unintended islanding, to the problem of intended. The unprecedented contribution of this work is the application of the factorization of the incidence branch-node matrix in the design of islanding control. The proposed method identifies the cutsets, composed of transmission lines / transformers (branches) , able to divide a connected Electrical Power System in two or more subsystems (islands), under the constraint of a minimum number of interrupted branches or minimal interruption of power flow. The identification of cutsets are made through an ordered factorization of the incidence branch node matrix and a regularization process of cutsets. The method has been tested with promising results in some electrical systems of small and medium size. It has shown good characteristics which suggests that it is suitable for real-time applications. The method automatically provides the set of buses that form each island, it easily adapts to changes in topology and can be easily implemented with routines that are already developed in existing computer programs commonly used for analysis of electric power systems. Further work is needed to test the methodology in larger systems to evaluate the computational efficiency of the method and compare with the efficiency of other methods reported in the literature.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um programa computacional para análise de contingências, no contexto da estabilidade transitória, capaz de identificar as contingências críticas do sistema elétrico de potência via métodos diretos. A análise de estabilidade é realizada em diversas etapas, onde serão aplicados diversos filtros, baseados em métodos de análise de ilhamento, não existência de pontos de equilíbrio, PEBS, BCU e simulação computacional, no domínio do tempo, do sistema. Em cada etapa da análise, os casos serão classificadas como sendo estáveis, instáveis ou incertos segundo diferentes critérios, restando portanto, ao fim de cada etapa, um conjunto menor de possíveis contingências críticas. A metodologia proposta foi desenvolvida para modelos de SEPs com rede reduzida, porém as técnicas discutidas neste trabalho aplicam-se também a modelos que preservam a estrutura do sistema de transmissão. / The main objective of this work is to design a transient stability screening contingency program that is able to identify all critical contingencies in an electric power system using direct methods. The stability assessment is performed through several steps by mean of filters based on islanding detection, nonexistence of equilibrium points, PEBS, BCU and time-domain simulation of the power system. In each step of the analysis, all cases are classified as stable, unstable or uncertain cases by different criteria, resulting at the end of each step in a small number of possible critical contingencies. The proposed methodology was designed for reduced models of electric power systems, but all the techniques discussed in this work are also suitable for preserving structure models.

Com o advento da geração distribuída foi permitido aos sistemas de distribuição a possibilidade de operação de forma ilhada dos sistemas interligados de grande porte. Apesar de suas vantagens, do ponto de vista técnico, ainda existe uma série de desafios que necessitam ser superados para a plena aplicação desse conceito. Um desses desafios é definido pela transição dos modos operativos dos geradores distribuídos durante o processo de ilhamento. Da forma em que é reportada na literatura, infere-se que tal transição é realizada de um modo inadequado, amplificando os transitórios observados nas grandezas do gerador distribuído - e por consequência, da rede em que o mesmo se conecta - durante o processo de ilhamento, o que não é desejável. No contexto apresentado, a principal contribuição desta pesquisa está em propor uma estrutura híbrida de controle a ser aplicada aos sistemas de excitação de geradores síncronos que operam em sistemas de distribuição que permitem a operação ilhada de determinadas porções de suas redes. A principal característica da estrutura proposta está em atenuar os transitórios das variáveis do gerador controlado durante o processo de ilhamento. Além disso, o arranjo da estrutura proposta estabelece um compromisso entre a potência reativa e a tensão terminal do gerador controlado, quando o mesmo opera em paralelo com os sistemas interligados de grande porte. Nessa condição, o sistema de controle mantém a potência reativa próxima da referência ajustada atendendo a uma faixa adequada de valores de tensão terminal. / With the advent of distributed generation, the possibility of autonomous operation regarding the bulk power systems was allowed to the distribution systems. Despite its advantages, from the technical point of view, there are lots of challenges that need to be overcome for the full application of this concept. One of these challenges is the transition of distributed generators operating modes during the islanding process. Based in the literature survey, it is inferred that transition is performed in a wrong way, which amplifies the transients in controlled generator quantities and consequently, of the network connected to it during the islanding process, which is undesirable. In this context, the main contribution of this research is the proposal of a hybrid control structure to be applied to the excitation systems of synchronous generators that operate in distribution systems whose islanded operation of determined portions of its grids is permitted. The main characteristic of the proposed structure is the attenuation of transients of the controlled generator quantities during the islanding process. Furthermore, the design of this structure provides a compromise between the generator reactive power and terminal voltage when it operates in parallel with the bulk power systems. That way, the control system maintains the reactive power close to the adjusted reference attending an appropriate range of terminal voltage values.

Este trabalho aborda a detecção da condição de ilhamento e de seus impactos em redes de distribuição e em gerações distribuídas que empregam conversores CC-CA. Na literatura são encontradas dois grupos de técnicas para este tipo de aplicação. As técnicas passivas, que identificam a condição de ilhamento através do ajuste dos limites de variação dos relés de proteção, e as técnicas ativas, que inserem um sinal de realimentação positiva de forma a tornar o sistema instável no momento da desconexão. As técnicas ativas, por apresentarem um menor tempo de detecção e simples implementação em hardware, são preferencialmente utilizadas, apesar da injeção de distúrbios no sistema de controle da geração distribuída. O estado-da-arte em termos de detecção de ilhamento consiste em desenvolver uma técnica que possua alta capacidade de detecção, porém sem injeção de distúrbios no sistema de geração distribuída quando conectado à rede de distribuição. Neste trabalho, são abordadas duas formas para a redução da injeção de distúrbios e do tempo de detecção. Em uma primeira abordagem é proposto um projeto ótimo para o algoritmo de sincronização PLL (phase-locked loop), o qual permite a redução do ganho de realimentação positiva para técnicas em frequência e, consequentemente, a redução da injeção de distúrbios. Em uma segunda abordagem é utilizada a metodologia fuzzy de forma a garantir a detecção da condição de ilhamento sem nenhuma injeção de distúrbios no sistema de controle. Resultados de simulação e experimentais, obtidos por meio de uma bancada experimental controlada por DSP, são apresentados para validar as propostas presentes nesta dissertação / This thesis deals with the islanding detection and its impact on distribution networks when distributed generation systems are driven by DC-AC converters. Two groups of techniques are found in the literature. The passive techniques in which adjusting the variation limits of protective relays identify the islanding condition, and the active techniques that insert a positive feedback signal in order to make the system unstable when the contingency is on progress. The active techniques present a reduced detection time and simple hardware implementation. They are preferably used in despite of the injection of disturbances in the control system. In this thesis two ways to reduce injection of disturbances and detection time are proposed. In a first approach is shown an optimal design for the synchronization algorithm PLL (Phase-Locked Loop) which allows to reduce the positive feedback gain in frequency techniques in order to decrease the injection of disturbances. In a second approach a fuzzy methodology is used to ensure the islanding detection with the aforementioned requirements. Simulation analysis and experimental results are presented to validate the proposed approach

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Resumo: Considerando o atual crescimento dos sistemas baseados em fontes de energia renováveis para a Geração Distribuída (GD), novas estruturas de potência estão sendo desenvolvidas para os sistemas de conversão. O presente estudo propõe a utilização do Inversor Integrado Cuk para o processamento da energia solar fotovoltaica proveniente de um conjunto de módulos fotovoltaicos. Este inversor é o resultado da integração de um conversor Cuk e um inversor de ponte completa, sendo capaz de realizar as funções de elevação e redução de tensão, e a função de converter a corrente continua em alternada, possuindo um grande potencial para a obtenção de uma estrutura de potência de reduzido volume e alto rendimento, garantindo uma baixa distorção harmônica da corrente injetada à rede. Neste trabalho de dissertação são apresentadas as análises quantitativa e qualitativa do inversor com o objetivo de mostrar em detalhes o seu funcionamento e apresentar as principais equações elétricas dos componentes reativos e semicondutores. Além disso, para a obtenção do modelo dinâmico em pequeno sinal do inversor, o método de média do circuito e modelagem média de interruptores é utilizado a fim de projetar os controladores do modo de controle adotado, o qual consiste em dois laços de corrente retroalimentados. Por outro lado, uma comparação das diferentes configurações de módulos fotovoltaicos conectados ao inversor é realizada através dos dados de simulação, a fim de obter a configuração com as melhores c... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Considering the current growth of the renewable energy sources-based systems for Distributed Generation (DG), new power structures are being developed for the conversion systems. The present study proposes the use of the Cuk Integrated Inverter for the processing of photovoltaic solar energy from a set of photovoltaic modules. This inverter is the result of the integration of a Cuk converter and a Full Bridge inverter, being able to perform the functions of raise and reduce voltage, and the function of converting the direct current (DC) to alternating current (AC), possessing a great potential for obtaining a power structure of reduced volume and high performance, guaranteeing a low harmonic distortion of the current injected into the electric grid. In this research work, the quantitative and qualitative analysis of the inverter are presented in order to show in detail its operation and present the main electrical equations of the reactive and semiconductor components. In addition, to obtain the dynamic model in small signal of the inverter, the method of Circuit Averaging and Averaged Switch Modeling is used in order to design the controllers of the adopted control mode, which consists of two feedback loops of current. On the other hand, a comparison of the different configurations of photovoltaic modules connected to the inverter is performed by simulation data, in order to obtain the configuration with the best performance characteristics of the system. The maximum power p... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

A inserção de geradores distribuídos nas redes de distribuição de energia elétrica está aumentando consideravelmente devido à possibilidade de maior proximidade destes geradores com os mercados consumidores, fatores ambientais, aprimoramentos das tecnologias atuais de geração de energia elétrica e desenvolvimentos de outras novas, alterações de legislações e incentivos governamentais. Este novo cenário traz também a necessidade de maior atenção devido à possibilidade de ocorrência de ilhamentos não intencionais. Nestas situações, o gerador distribuído deve ser desconectado imediatamente após a detecção do evento. Métodos tradicionais, como relés de tensão e de frequência, mostram bom desempenho quando há um elevado desbalanço entre as potências geradas e as potências das cargas ilhadas. Nos casos de pequenos desbalanços de potência, o ilhamento pode não ser detectado por esses métodos. Neste contexto, este trabalho visa desenvolver um sistema de detecção de ilhamentos em sistemas de distribuição por meio da utilização de uma rede neural artificial do tipo Perceptron multicamadas. Utilizando-se uma rede neural devidamente treinada para o sistema elétrico estudado, obteve-se um bom desempenho na detecção de ilhamento, obtendo-se elevadas taxas de acerto. Além disso, o método proposto foi capaz de diferenciar corretamente situações normais de operação do sistema, tais como chaveamento de blocos de cargas, das situações de ilhamento. Os mesmos cenários foram testados utilizando as proteções convencionais de tensão, frequência e de taxa de variação de frequência, a fim de obter a comparação com o método proposto. Como resultado, o método baseado na rede neural apresentou desempenho superior aos demais sistemas de proteção, detectando o ilhamento dentro da faixa de 2 segundos em todos os casos simulados neste trabalho. / The penetration of distributed generators into the power distribution systems has been increasing significantly due to the possibility of generating power next to the consumers, environmental issues, improvement and development of the generation technologies, regulatory changes and governmental incentives. This new scenario requires special attention to the possibility of unintentional islanding. In this situation, the distributed generator must be disconnected immediately after an islanding occurrence. Traditional anti-islanding protection schemes, such as voltage and frequency-based relays, are effective to detect islanding if there is a big power imbalance between generation and load inside the island. On the other hand, they may fail if the power imbalance is small. In this context, this work presents a new islanding detection method based on a Perceptron Multi-layer neural network. By using a neural network properly trained for the distribution system under study, the method has presented good performance with high islanding detection successful rates. Moreover, the proposed method was capable of distinguish the islanding occurrence from normal transient operating conditions, such as load switching. The same operating scenarios were used to test voltage, frequency and rate of change of frequency protection in order to perform a comparison with the proposed method. As result, the method presented superior performance detecting the islanding faster than 2 seconds in all the cases simulated in this work.

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