O crescimento da demanda por eletricidade tem promovido a diversificação da matriz energética em termos de fontes primárias, porte de geração e alocação dos geradores. Neste cenário, a inserção de geradores de pequeno porte nos sistemas de distribuição tem causado a descentralização da produção de energia elétrica e, no contexto nacional, o alto potencial para geração de eletricidade através de pequenas centrais hidrelétricas e usinas de cogeração tem dado destaque aos geradores síncronos distribuídos. Contudo, é necessário avaliar as implicações da presença dos geradores síncronos em sistemas de distribuição e avaliar se as metodologias já consagradas de análises, operação e normalização técnica estão adequadas. Dentre as principais peculiaridades dos sistemas de distribuição estão a proximidade dos geradores às cargas e a presença de eventos aleatórios de maior amplitude, tais como variações de carga que ocorrem natural e intermitentemente no sistema. Além disso, problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas podem agora ocorrer em níveis de distribuição e deve-se estabelecer um procedimento para identificação destes modos. Entretanto, o procedimento usual para o estudo de estabilidade a pequenas perturbações pode se tornar inviável, pois a construção do modelo completo é de extrema complexidade e os parâmetros dos elementos em níveis de distribuição são de difícil obtenção. Para reverter estes problemas citados, esta pesquisa oferece um procedimento alternativo para a obtenção dos modos de oscilação eletromecânica em sistemas de distribuição, sugerindo a estimação modal através de dados ambiente. / The electricity demand increase has promoted the energy matrix diversification in terms of primary sources, generation size and allocation of generators. In this scenario, the insertion of small sized generators in distribution systems has caused the power production decentralization and, in the national context, a high potential for generating electricity through small hydroelectric power plants and cogeneration plants has drawn attention to distributed synchronous generators. However, it is necessary to assess the implications of synchronous generators presence in distribution systems and evaluate if the current methodologies of analysis, operation and technical standards are appropriate to this context. Among the main distribution systems particularities, there are the proximity of generators to loads and more significant random perturbations conceptualized as load switching. In addition, problems related to lightly damped modes can occur in distribution and there is a need to establish a procedure for modal identification. However, the usual procedure for the small-signal stability analysis is not adequate to this problem, because the model construction is very complex and the parameters in distribution are very difficult to obtain. To face the challenges, this research provides an alternative procedure for obtaining electromechanical modes in distribution systems, suggesting modal estimation techniques that use measured ambient data.

O crescimento da demanda por eletricidade tem promovido a diversificação da matriz energética em termos de fontes primárias, porte de geração e alocação dos geradores. Neste cenário, a inserção de geradores de pequeno porte nos sistemas de distribuição tem causado a descentralização da produção de energia elétrica e, no contexto nacional, o alto potencial para geração de eletricidade através de pequenas centrais hidrelétricas e usinas de cogeração tem dado destaque aos geradores síncronos distribuídos. Contudo, é necessário avaliar as implicações da presença dos geradores síncronos em sistemas de distribuição e avaliar se as metodologias já consagradas de análises, operação e normalização técnica estão adequadas. Dentre as principais peculiaridades dos sistemas de distribuição estão a proximidade dos geradores às cargas e a presença de eventos aleatórios de maior amplitude, tais como variações de carga que ocorrem natural e intermitentemente no sistema. Além disso, problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas podem agora ocorrer em níveis de distribuição e deve-se estabelecer um procedimento para identificação destes modos. Entretanto, o procedimento usual para o estudo de estabilidade a pequenas perturbações pode se tornar inviável, pois a construção do modelo completo é de extrema complexidade e os parâmetros dos elementos em níveis de distribuição são de difícil obtenção. Para reverter estes problemas citados, esta pesquisa oferece um procedimento alternativo para a obtenção dos modos de oscilação eletromecânica em sistemas de distribuição, sugerindo a estimação modal através de dados ambiente. / The electricity demand increase has promoted the energy matrix diversification in terms of primary sources, generation size and allocation of generators. In this scenario, the insertion of small sized generators in distribution systems has caused the power production decentralization and, in the national context, a high potential for generating electricity through small hydroelectric power plants and cogeneration plants has drawn attention to distributed synchronous generators. However, it is necessary to assess the implications of synchronous generators presence in distribution systems and evaluate if the current methodologies of analysis, operation and technical standards are appropriate to this context. Among the main distribution systems particularities, there are the proximity of generators to loads and more significant random perturbations conceptualized as load switching. In addition, problems related to lightly damped modes can occur in distribution and there is a need to establish a procedure for modal identification. However, the usual procedure for the small-signal stability analysis is not adequate to this problem, because the model construction is very complex and the parameters in distribution are very difficult to obtain. To face the challenges, this research provides an alternative procedure for obtaining electromechanical modes in distribution systems, suggesting modal estimation techniques that use measured ambient data.

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.

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.