Direct methods are an alternative for power system transient stability analysis to avoid the enormous computational efforts of conventional time-domain method. The development of direct methods in last three decades makes it an effective potential approach to both on-line security assessment and off-line analysis tools. Among the direct methods, the Boundary of stability region based Controlling Unstable equilibrium point (BCU) method is the most successful, having a sound theoretical basis and practical application in power systems. It finds the controlling UEP of the original system via a reduced-state system. This thesis investigates the development of direct methods and the related theoretical foundation. Several widely used direct methods are presented and compared. The theoretical foundation and computational issues of BCU methods are discussed. Incorporation of more realistic power system models can be incorporated in BCU methods is introduced. Based on BCU method, some small system cases are tested for a given fault. / text

Esta tese trata de dar um passo na direção de revisar o problema de estabilidade transitória e a teoria do método PEBS para incluir em seus fundamentos modelos de fontes alternativas e seus limites operacionais. A conceituação do método direto com restrição é estabelecida via teoria de sistemas dinâmicos restritos e do conceito de região de estabilidade restrita. Particularmente, avalia-se a estabilidade de velocidade das principais configurações de aerogeradores equipados com gerador de indução, considerando como requisito operacional a curva de suportabilidade a afundamentos de tensão, ou curva LVRT. Um sistema dinâmico auxiliar aumentado é desenvolvido para representar a curva LVRT, que é um requisito dependente do tempo, por meio de uma restrição invariante no tempo descrita em termos de uma variável de estado auxiliar. Este sistema auxiliar tem sua região de estabilidade irrestrita igual à região de estabilidade restrita do sistema dinâmico restrito. Os modelos são apresentados na forma de equações algébricas e diferenciais. O problema de estabilidade de velocidade e o problema de violação de limites de tensão são investigados via análises da região de estabilidade do ponto de equilíbrio estável do sistema pós-falta e dos tempos críticos de abertura obtidos para várias perturbações. Os resultados mostram que: i) para distintos limites operacionais e para distintos parâmetros da máquina de indução, as regiões de estabilidade para um dado ponto de equilíbrio podem ser significativamente diferentes, ii) na maioria dos casos analisados, os limites de tensão são violados antes dos aerogeradores perderem a estabilidade de velocidade, o que mostra como é importante considerar limites operacionais nas avaliações de estabilidade via método direto para evitar que o sistema elétrico de potência fique vulnerável e iii) as funções energia desenvolvidas, tanto para avaliar o problema de estabilidade de velocidade, como para avaliar o problema de violação de limites de tensão, são em geral capazes de realizar boas estimativas dos tempos críticos de abertura. Os estudos elaborados nesta tese sobre a avaliação da estabilidade de aerogeradores via método direto, contribuem com aplicações inéditas que podem ser utilizadas nas análises de segurança em tempo real de sistemas elétricos de potência que contemplem fontes alternativas e seus limites operacionais. / This thesis gives a step forward in the direction of reviewing the problem of transient stability and the theory of PEBS method to include models of renewable power plants and their operational limits. The formulation of direct methods with constraint is accomplished by exploring the theory of constrained dynamic systems and the concept of constrained stability region. In particular, the speed stability of the main wind turbine configurations equipped with an induction generator is analyzed, considering the low voltage ride-through requirement, or LVRT curve, as a constraint to the model. An augmented auxiliary dynamical system is developed to represent the time-dependent LVRT constraint as an equivalent time invariant constraint written in terms of an auxiliary state variable. This auxiliary system has its unconstrained stability region equals to the constrained stability region of the constrained dynamic system. The models are described in the form of algebraic and differential equations. The problem of speed stability and the problem of disconnection of wind turbines due to voltage limits violation are investigated via analysis of stability region of the post-fault equilibrium point and critical clearing times obtained for several perturbations. The results show that: i) for different operational limits and for different parameters of the induction machine, the stability regions for a given operating point can be significantly different, ii) in most cases, the violation of the LVRT curve occurs before the speed instability, which reveals the importance of include operational limits in transient stability analysis and in the formulation of direct methods and iii) in most cases, the developed energy functions to evaluate the problem of speed stability and the problem of voltage limits violation, are generally capable of making good estimates of critical clearing times. The developed studies about the transient stability assessment of different models of wind turbines via direct method contribute with applications that can be used in real-time security assessments of power systems that contemplate renewable power plants and their operational limits.

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.

Alternative renewable energy sources such as solar, wind, and bio energy have brought uncertainties into the power flow of electric power systems. Purely deterministic tools and models are suitable to guarantee the safe operation of these systems. A necessity arises to develop and use methods that deal with uncertainties in the analysis. Several methodologies have been proposed to assess the transient stability of power systems considering uncertainties. However, most of these techniques are based on the execution of successive simulations, requiring a high computational effort. Hence, they are limited to off-line applications in small systems. In view of the foregoing, this work proposes the development of two methodologies to assess – in real time – the transient stability of power systems with parametric and operational uncertainties. The first one is an extension of PEBS, which is a direct method for stability assessment. This method, called robust PEBS, employs an interval energy function of the power system to determine a robust estimate critical clearing time. The second one is the use of optimization methods to find a robust estimate critical clearing time. Notably, we employ the Simulated Annealing and Differential Evolution algorithms. Besides developing methods to estimate the critical clearing time, this work also contributes to the analysis of power systems with uncertainties by introducing a technique to reduce the analysis effort. To be specific, a methodology is proposed to identify the most influential parameters for the transient analysis assessment based on a sensitivity analysis of the generator angles with respect to the system parameters. / A utilização crescente de fontes alternativas intermitentes de energia como eólica e solar tem trazido incertezas em relação ao nível de geração e ao fluxo de potência em Sistemas Elétricos de Potência (SEP). Assim, a utilização de modelagem e ferramentas puramente determinísticas na análise de estabilidade não são mais suficientes para garantir a operação segura destes sistemas. Torna-se necessário, então, o desenvolvimento e utilização de métodos que incluam essas incertezas nas análises. Diversas metodologias foram propostas para avaliar a estabilidade transitória de Sistemas Elétricos de Potência considerando incertezas. Porém, grande parte destas técnicas é baseada em execuções de inúmeras simulações e, portanto, exige grande esforços computacionais e são limitadas a aplicações off-line e em sistemas elétricos de pequeno porte. Face ao exposto, propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia rápida para a avaliação de estabilidade transitória de SEPs em tempo real considerando incertezas paramétricas. Esta metodologia deverá ser capaz de fornecer rapidamente um resultado robusto sobre a estabilidade. Para tal pretende-se estender a aplicação do método direto PEBS para a análise de estabilidade de sistemas elétricos com incertezas. Além disso, neste trabalho, aplicam-se métodos de otimização para se encontrar o tempo crítico de abertura sem o uso de uma simulação de Monte Carlo e determinam-se os parâmetros que mais influenciam para o estudo de estabilidade transitória utilizando uma análise de sensibilidade dos ângulos dos geradores em relação aos parâmetros do sistema elétrico de potência.

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.

L'analyse de la sécurité dynamique en temps réel est très difficile à réaliser en raison du nombre important de calculs à réaliser en quelques minutes seulement. Jusqu'à aujourd'hui, aucune méthode ne s'est révélée suffisamment efficace pour remplir cette tâche. Dans ce contexte, le filtrage des contingences représente un enjeu majeur puisqu'il permet d'économiser beaucoup de temps de calculs. Le but de nos travaux de recherche a été de mettre au point une stratégie de filtrage basée sur les méthodes d'analyse de la stabilité transitoire existantes. Dans un premier temps, les principales méthodes d'analyse de la stabilité transitoire ont été étudiées et testées à l'aide de quatre réseaux électriques de tailles différentes. Les méthodes qui sont apparues comme les plus efficaces ont ensuite été développées et modifiées, afin d'améliorer leur rapidité, leur fiabilité et leur précision. Deux nouvelles méthodes ont ainsi été crées. La première méthode permet de déterminer très rapidement et de manière très fiable la stabilité du réseau. La deuxième permet de calculer précisément le TEC avec un minimum de simulations. A partir de ces deux méthodes qui ont des caractéristiques complémentaires, une stratégie de filtrage multi-niveau, réalisant un bon compromis entre la rapidité, la fiabilité et la précision, a été proposée.