Orientadora: Profa. Dra. Ahda Pionkoski Grilo Pavani / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Santo André, 2017. / O uso da energia solar fotovoltaica tem aumentado significativamente nos últimos anos. Atualmente, uma das formas mais empregadas para o aproveitamento desta fonte de energia é a instalação de placas fotovoltaicas em telhados de instalações residenciais. No Brasil, especificamente, este tipo de instalação vem crescendo desde a implementação do sistema de compensação de créditos, em que os consumidores podem injetar o excedente de energia na rede elétrica e receber créditos por esta energia. Este sistema traria grande flexibilidade de controle para minimizar os impactos da conexão de GF à rede elétrica, se incentivasse também o uso de unidades de armazenamento local com capacidade compatível à potência do gerador. A conexão de Geração Fotovoltaica (GF) à rede elétrica em elevado nível causa diversos impactos ao sistema, deteriorando os indicadores de qualidade, dentre eles, a variação de tensão é um dos principais limitadores, decorrente da relação entre a injeção de potência e a tensão das barras. Neste contexto, as possíveis elevações de tensão devido à GF em dias ensolarados, cujo período de máxima geração coincide com período de carga moderada devem ser analisadas. Desta forma, neste trabalho é analisado o uso de baterias de grande porte conectadas à rede primária de distribuição com o objetivo de minimizar os impactos da elevada conexão de GF na tensão da rede, isto é, mantendo um perfil de tensão adequado durante a operação e minimizando variações de tensão de curta duração devido à passagem de nuvens. Os estudos são baseados em fluxo de potência série-temporal utilizando o software OpenDSS. Com a análise dos resultados é possível verificar a efetividade da instalação de baterias na rede primária de distribuição para manter os níveis adequados de tensão. Os resultados obtidos indicam possíveis soluções e podem nortear concessionárias e operadores do sistema no planejamento e otimização das redes de distribuição em um cenário futuro com alta penetração de geradores fotovoltaicos. / The use of photovoltaic solar energy has increased significantly in recent years. Currently, one of the most used forms for the use of this energy source is the installation of photovoltaic panels on residential roofs. In Brazil, specifically, this type of facility has been growing since the implementation of the credit compensation system, in which consumers can inject surplus energy into the grid and receive credits for this energy. This system would bring great flexibility to the grid control to minimize the impacts of Photovoltaic Generation (PG) in the electrical network, if it were also encouraged the use of local storage units with compatible capacity to the power of generator. The connection of PG to the grid at high level causes several impacts to the system, deteriorating the quality indicators, among them, the voltage variation is one of the main limiters, due to the relation between the injection of power and the voltage of the buses. In this context, possible stress elevations due to PG on sunny days, whose maximum generation period coincides with moderate load period; should be analyzed. Thus, in this work the use of large batteries connected to the primary distribution network is analyzed in order to minimize the impacts of the high PG connection on the mains voltage that is, maintaining a suitable voltage profile during the operation. The studies are based on serial-temporal power flow using OpenDSS software. With the analysis of the results it is possible to verify the effectiveness of the installation of batteries in the primary distribution network in order to maintain adequate voltage levels. The results indicate possible solutions and can guide concessionaires and system operators in the planning and optimization of distribution networks in a future scenario with high penetration of photovoltaic generators.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rubens Hock.pdf: 9150198 bytes, checksum: dc75d13b884c75e842633257c0db27e6 (MD5) Previous issue date: 2015-02-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This paper presents a mobile voltage regulator based in a Distribution Static Synchronous Compensator (DSTATCOM) applied to low voltage distribution grids. The DSTATCOM consists in a three-phase four-wire inverter connected to the grid through a second order low pass filter. The control structure is composed of three output voltage loops with active damping and the two dc bus loops. In addition, a new concept of Minimum Power Point Tracking (mPPT) is introduced, forcing the DSTATCOM to operate with the minimum power. In certain conditions, this means no compensation. The dynamic models of the converter are presented, as well as the control design. Simulation results show the capacity of voltage regulation and the features of the mPPT, even under grid and load unbalances and nonlinear loads. This work is concluded with the construction of a 30 kVA prototype and validation through experimental results proves the proper functioning of the voltage regulator. / Esse trabalho apresenta um regulador de tensão móvel baseado em um compensador estático de reativos (DSTATCOM) aplicado a redes de distribuição de baixa tensão. O DSTATCOM consiste em um inversor trifásico a quatro fios conectado à rede através de um filtro de segunda ordem. A estrutura de controle é composta por três malhas de tensão de saída com amortecimento ativo e duas malhas de tensão do barramento cc. Em adição, um novo conceito de rastreamento da mínima potência (mPPT) é introduzido, forçando o DSTATCOM a operar com a mínima potência. Em certas ocasiões, isso significa nenhuma compensação. Os modelos dinâmicos do conversor são apresentados, assim como o projeto de controle. Resultados de simulação mostram a capacidade de regulação da tensão e as características do mPPT, mesmo com desequilíbrios na rede e/ou na carga e com cargas não lineares. O trabalho é concluído com a construção de um protótipo de 30 kVA e validação dos estudos através de resultados experimentais obtidos comprovam o bom funcionamento do regulador de tensão.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jean Carlo da Cunha.pdf: 16855564 bytes, checksum: 337fd862ee9c2affb80cdde33c7439e5 (MD5) Previous issue date: 2015-08-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um esquema de controle de um Compensador Estático para rede de Distribuição (DSTATCOM), utilizado para regular a magnitude da tensão no ponto de acoplamento de carga (PAC) e também possui a função de eliminar harmônicas de tensão através da detecção da tensão no PAC. A regulação da magnitude da tensão é efetuada através da injeção de corrente em quadratura no PAC e a mitiga ção de harmônicas é efetuada através da leitura da tensão do PAC e geração de correntes harmônicas capazes de compensar as distorções na tensão do PAC, sem a necessidade da leitura de corrente da rede ou da carga. O regulador é implementado através de um conversor VSI trifásico à quatro os conectado em paralelo com a rede de distribuição. A potência ativa drenada pelo conversor é somente para suprir suas perdas e controlar a tensão do barramento CC. Este trabalho possui resultados de simulação para o sistema completo bem como resultados experimentais.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Voltage regulation still is a problem faced by power utilities currently. In addition to the series impedance and the significant load variation of the distribution grids, the main causes of voltage regulation problems, the requirements for the enhancement of power quality by the electricity regulatory agencies, increasing energy consumption, the inclusion of distributed generation and the development of the smart grids tends to increase the complexity of the distribution systems. One of the most used methods for voltage regulation in alternating current systems is the employment of tap changer on transformers, this method allows voltage regulation by varying the transformation ratio, modifying the value of the secondary voltage. The application of these devices is primarily performed by manual commutation mechanical devices in distribution systems, and by automatic electromechanical on load tap changers in substations. In the case of manual devices, operating costs and the impossibility of automatic voltage regulation are limiting factors, while in the case of electromechanical devices the limitations are mainly related to the costs of employment and maintenance. Currently, the increase of voltage and current operating levels of semiconductor devices has allowed envision the application of semiconductor switches instead of the mechanical switches employed nowadays. However, due to the operating characteristics of these devices, a detailed analysis of the commutation process is necessary, in order to allow the proper design of the devices involved in the commutation and protection process of the electronic tap changer. In this context, this work presents the analysis, design and implementation of an electronic on load tap changer applied to a single-phase distribution transformer, proposed as an alternative to the existing mechanical and electromechanical tap changers. Such a system enables the automatic voltage regulation, avoiding the insulation oil degradation, resulting from the commutation process, and also the elimination of movable parts, the main cause of defects in current automatic commutation devices. In addition to allowing steady state voltage regulation, the system allows the regulation for momentary voltage sags, since they occur in the transformer operating range. The analysis of the commutation process is presented, allowing the design of the electronic switches, as well as the protection system to be employed. Experimental results show the correct voltage regulation for different kinds of load, demonstrating the potential application of electronic on load tap changers in the current distribution systems and in future smart grids. / A regulação dos níveis de tensão é um problema ainda enfrentado pelas companhias concessionárias de energia elétrica atualmente. Além da impedância série e da significativa variação de carga das linhas de distribuição, principais causas dos problemas de regulação, a maior exigência dos agentes reguladores do sistema elétrico para a melhoria da qualidade de energia, o aumento do consumo de energia, a inclusão de geração distribuída e o desenvolvimento das redes inteligentes (smart grids), tendem a aumentar a complexidade dos sistemas de distribuição. Um dos métodos mais empregados na regulação de tensão em sistemas de corrente alternada é a aplicação de comutadores de taps em transformadores. Este método permite a regulação da tensão através da variação da relação de transformação, modificando o valor da tensão secundária. A aplicação desta solução é feita, majoritariamente, através de dispositivos mecânicos de comutação manual nos sistemas de distribuição e de dispositivos automáticos eletromecânicos de comutação sob carga em subestações. No caso dos dispositivos manuais, os custos operacionais e a impossibilidade da regulação automática de tensão são fatores limitantes, enquanto que no caso dos dispositivos eletromecânicos, os limitantes estão relacionados principalmente aos custos de implantação e de manutenção. Atualmente, o aumento dos níveis de tensão e corrente de operação dos dispositivos semicondutores tem permitido vislumbrar a aplicação de chaves semicondutoras em substituição às chaves mecânicas empregadas. Entretanto, devido às características de funcionamento destes dispositivos, uma análise detalhada do processo de comutação do sistema é necessária, de modo a permitir um adequado projeto dos dispositivos envolvidos no processo de comutação e proteção dos comutadores eletrônicos de taps. Neste contexto, o presente trabalho apresenta a análise, projeto e implementação de um comutador eletrônico de taps aplicado a um transformador de distribuição monofásico, proposto como alternativa aos comutadores mecânicos ou eletromecânicos existentes. Tal sistema permite a regulação automática da tensão, eliminando o desgaste do óleo isolante, resultante do processo de comutação sob carga e também a eliminação de partes móveis, principal causa de defeitos nos comutadores automáticos atuais. Além de permitir a regulação da tensão em regime permanente, o sistema possibilita a regulação para afundamentos de tensão momentâneos, desde que estejam na faixa de operação do transformador. A análise do processo de comutação do dispositivo estudado é apresentada, permitindo o projeto das chaves eletrônicas, bem como do sistema de proteção a ser empregado. Resultados experimentais demonstram a correta regulação de tensão do sistema desenvolvido, dentro dos limites de operação do transformador, para diferentes tipos de carga, evidenciando a potencialidade dos comutadores eletrônicos de taps em aplicações nas atuais redes de distribuição e nas futuras redes inteligentes.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This doctoral thesis deals with the study, analysis and development of a new hybrid topology for voltage regulation of stand-alone microgeneration systems employing self-excited induction generators. The hybrid topology proposed considers a three-phase four-wire system and employs a distribution static synchronous compensator (DSTATCOM) in combination with banks of switchable capacitors (BCC) to perform the regulation of the terminal voltages of the induction generator. As a result of using the proposed topology, it is expected the regulation of the amplitude of the terminal voltages of the induction generator, with effective reduction of the power processed by DSTATCOM, regardless of the characteristic of the applied load. Therefore, it is considered the compensation of reactive currents of the system in terms of phase, amplitude and shape, performed by a suitable control system. The control structure applied to control the DSTATCOM and the switching of BCC ensures the regulation of voltages with low harmonic distortion (THD) and reduced distortion factor among voltages, in addition to keeping the generator currents sinusoidal and balanced. This thesis also investigates two distinct forms of frequency control using the electronic load control: (i) auxiliary load controlled by chopper element connected to the DC bus DSTATCOM and (ii) auxiliary load controlled by chopper element connected to the AC bus system through non-controlled three-phase rectifier. Simulation and experimental results are presented to validate and demonstrate the suitable performance of the proposed hybrid topology in the regulation of voltages and system frequency. The system is tested by load transient including three-phase and single-phase loads, linear and non-linear loads, resistive and reactive loads. / Esta tese de doutorado trata do estudo, análise e desenvolvimento de uma nova topologia híbrida de regulação das tensões de sistemas isolados de microgeração empregando geradores de indução auto-excitados. A topologia híbrida proposta considera um sistema trifásico a quatro fios e emprega um compensador síncrono estático de distribuição (DSTATCOM) em associação a bancos de capacitores comutáveis (BCC) para efetuar a regulação das tensões terminais do gerador de indução. Como resultado da utilização da topologia proposta, espera-se a regulação da amplitude das tensões terminais do gerador, com efetiva redução da potência processada pelo DSTATCOM, independentemente da característica da carga aplicada. Considera-se, portanto, a compensação de correntes reativas do sistema em termos de fase, amplitude e forma, realizada a partir de sistema de controle adequado. A estrutura de controle aplicada ao controle do DSTATCOM e à comutação dos BCC, garante a regulação das tensões com reduzida taxa de distorção harmônica (THD) e reduzido fator de desequilíbrio de tensão (FD), além de manter as correntes do gerador senoidais e balanceadas. Neste trabalho também são investigadas duas formas distintas de controle de frequência a partir do controle eletrônico de carga: (i) carga auxiliar controlada por elemento chopper conectada ao barramento CC do DSTATCOM e (ii) carga auxiliar controlada por elemento chopper conectada ao barramento CA do sistema através de retificador trifásico não-controlado. Resultados de simulação e resultados experimentais são apresentados para validar e demonstrar o bom desempenho da topologia híbrida proposta na regulação das tensões e frequência do sistema. O sistema é testado mediante transitórios de cargas trifásicas e monofásicas, lineares e não-lineares, resistivas e reativas.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The search for solutions to the various problems of power quality, especially to voltage deviation from the standard values, account today, with an extensive range of products aiming above all the dynamic regulation of the supply voltage. Despite this recognition, the challenges to find alternatives technologies that take into account the use of compensators with more attractive operational and economic properties, are still motivating research worldwide. Among the devices based on the principle of consumption or supply of reactive power, in the 60 s came a product design nominated by Reactor Core Saturated Compensator- CERNS. This device is constituted by an inductive unit, comprising a magnetic core and windings with special features, connected in parallel with a capacitor unit. Although this equipment has been widely used in the past, the lack of publications on the subject resulted in a large gap in knowledge domain and dissemination of this technology. This fact contributed to a demand for dedicated efforts in recent years by national and international researchers. In the light of the attractions offered by this philosophy for voltage regulators, the subject has reawakened the interest for research and developments about the project, construction and operation of these compensators, thus aiming the technology domain. On the above, added to efforts previously made by national institutions, arises the present thesis aimed at providing a computational program to assist in the specification and basic design of saturated core reactors and means for determination of the equivalent electrical parameters needed to the model of the equipment proposed and implemented in the ATP simulator. Finally, performance studies are carried out to highlight and to validate the operational efficiency and computational model developed. / A busca por soluções para os distintos problemas da qualidade da energia elétrica, com destaque às variações das tensões de suprimento, conta, na atualidade, com uma extensa gama de produtos visando, sobretudo, a regulação dinâmica da tensão de suprimento. Não obstante tal reconhecimento, os desafios por estratégias alternativas em que pese o emprego de compensadores com propriedades operacionais e econômicas mais atrativas continuam motivando pesquisas em todo o mundo. Dentre os dispositivos fundamentados no princípio do consumo ou fornecimento de potências reativas, nos anos 60 surgiu uma concepção de produto, denominado Compensador a Reator a Núcleo Saturado CERNS. Este é composto, fundamentalmente, por um núcleo magnético com características e enrolamentos especiais e capacitores conectados em paralelo. Embora este equipamento tenha sido amplamente utilizado no passado, a ausência de publicações sobre o tema resultou numa grande lacuna para o conhecimento, domínio e difusão desta tecnologia. Tal fato corroborou para uma demanda de esforços dedicados nos últimos anos no âmbito nacional e internacional e, à luz dos atrativos oferecidos pela presente filosofia para os reguladores, o assunto voltou a despertar interesses para as pesquisas e desenvolvimentos visando o domínio da tecnologia para o projeto, construção e operação destes compensadores. Diante do exposto, somado a esforços já alcançados através de desenvolvimentos anteriores realizados por instituições nacionais, surge esta tese, a qual encontra-se fundamentada no desenvolvimento de uma estratégia computacional para o dimensionamento do compensador, projeto básico do reator saturado e análise de desempenho no domínio do tempo. Para tanto é utilizada a plataforma ATP, de domínio público e aceitação comprovada no cenário nacional. Por fim, estudos diversos de desempenho são conduzidos para a validação da eficácia operacional e do modelo computacional desenvolvido. / Doutor em Ciências