Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2018-05-11T20:16:00Z No. of bitstreams: 1 2017_KaristonDiasAlves.pdf: 3910952 bytes, checksum: 1211d57dc9de457ae5f268a913a1109d (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-05-15T17:30:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_KaristonDiasAlves.pdf: 3910952 bytes, checksum: 1211d57dc9de457ae5f268a913a1109d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-15T17:30:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_KaristonDiasAlves.pdf: 3910952 bytes, checksum: 1211d57dc9de457ae5f268a913a1109d (MD5) Previous issue date: 2018-05-15 / Fundação Rondônia de Amparo ao Desenvolvimento das Ações Científicas e Tecnológicas e à Pesquisa do Estado de Rondônia (FAPERO). / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um regulador de velocidade para a Turbina Indalma, que surgiu como uma alternativa para atender comunidades isoladas da amazônia, dada sua robustez, simplicidade de operação e baixo impacto ambiental. No entanto, era necessária a implementação de um regulador de velocidade afim de otimizar o ganho no seu potencial mecânico, aumentando assim a capacidade de geração elétrica. Deste modo, propôs-se o projeto e construção de um regulador de velocidade, que fosse de fácil instalação, de baixo custo, mantivesse o padrão de robustez do equipamento, possuísse um método fácil e eficiente de sintonia dos parâmetros do controlador, de modo a garantir a máxima eficiência, estabilidade da máquina e otimização do controle utilizado. Para este fim, é apresentada uma análise preliminar da problemática que envolve este tema, sua importância, bem como uma análise da turbina em questão. É feita a modelagem da turbina, via diagrama de blocos, a nível de sistema, com: 1) modelo linear, 2) modelo simplificado, 3) modelo linearizado e 4) modelo não linear, comparando os 4 modelos propostos com a resposta do sistema real. São apresentadas as fases de projeto e desenvolvimento dos componentes: mecânico, eletrônico e supervisório SCADA desenvolvidos para esta aplicação. Ademais, apresenta-se o desenvolvimento de um controlador PID embarcado na placa eletrônica, onde serão implementadas e testadas 3 diferentes sintonias, sendo elas: sintonia manual e duas sintonias via Otimização por Enxame de Partículas - PSO, através dos modelos linear e simplificado, que são apresentados no capítulo 3. Todas as etapas foram desenvolvidas e testadas no laboratório de sistemas hidrelétricos da Universidade de Brasília - UnB, afim de garantir a viabilidade e exequibilidade necessárias para implementação in Loco da tecnologia desenvolvida. Na fase de testes e validação da proposta, foram realizados 12 testes para cada uma das sintonias, afim de analisar o comportamento do sistema. Uma função custo é apresentada com a qual verifica-se todas as respostas e, deste modo, chega-se a um resultado da melhor sintonia testada. Por fim, têm-se a sintonia utilizado PSO baseado no modelo linear como a melhor resposta, dado os parâmetros analisados. / This work presents the development of a speed regulator for Indalma Turbine, which emerged as an alternative to attend isolated communities of the amazon, given their robustness, simplicity of operation and low environmental impact. However, it was necessary to implement a speed regulator in order to optimize the gain in its mechanical potential, thus increasing the electric generating capacity. In this way, the design and construction of a speed regulator for the Indalma turbine, which is easy to install, low cost, maintain the standard of robustness of the equipment, which has an easy and efficient method of tuning the parameters of the controller, in order to ensure maximum efficiency, stability of the machine and optimize the control used. For this purpose, a preliminary analysis is presented of the issues involved in this theme, their importance, as well as an analysis of the turbine in question. The turbine modeling is done, via block diagram, with: 1) linear model, 2) simplified model, 3) linearized model and nonlinear model, comparing the 4 proposed models with the real system response. The phases of design and development of the mechanical, electronic and SCADA supervisory components developed for this application is also presented. In addition, it is shown the development of a PID controller boarded on the electronic board, where three different tunings will be implemented and tested, being: manual tuning and two tunings via Particle Swarm Optimization (PSO) through linear and simplified models, which is presented in Chapter 3. All the steps were developed and tested in the laboratory of hydroelectric systems of the University of Brasília - UnB - Brazil, in order to guarantee the feasibility necessary for the implementation of the developed technology. In the phase of testing and validation of the proposal, 12 tests were performed for each of the tunings, in order to analyze the behavior of the system. A cost function is presented which all the answers are verified and, thus, one arrives at a result of the best tuned test. At least, we have the tuning used PSO based on the linear model as the best answer, given the parameters analyzed.

Submitted by Samira Prince (prince@ufpa.br) on 2012-06-05T13:42:18Z No. of bitstreams: 2 Dissertacao_AnaliseReguladorVelocidade.pdf: 1272295 bytes, checksum: d0238e9bc770122f02aa785945e7aeac (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Approved for entry into archive by Samira Prince(prince@ufpa.br) on 2012-06-05T13:43:07Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertacao_AnaliseReguladorVelocidade.pdf: 1272295 bytes, checksum: d0238e9bc770122f02aa785945e7aeac (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-06-05T13:43:07Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertacao_AnaliseReguladorVelocidade.pdf: 1272295 bytes, checksum: d0238e9bc770122f02aa785945e7aeac (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Previous issue date: 2011 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Analisa uma proposta de um controlador digital para o regulador de velocidade da Usina Hidroelétrica de Curuá-Una, utilizando duas estratégias de projeto, a estratégia indireta com o projeto do controlador sendo feito no plano contínuo e depois discretizado e a estratégia direta, em que o controlador é projetado inteiramente no plano discreto. O conhecimento gerado no simulador é de grande importância, pois é uma das grandes ferramentas para avaliar o comportamento dos controladores digitais propostos, em ambiente seguro. O estudo dos controladores também permite uma substituição de equipamentos antigos, com produção descontinuada, por equipamentos novos que permitem a confecção de controladores modernos, digitais e inteligentes, que proporcionam uma substituição de técnicas antigas de controle por estratégias avançadas de controle, maximizando o rendimento do sistema em condições adversas de operação. O trabalho levanta as diferenças, vantagens e desvantagens de cada controlador, com o objetivo de auxiliar na escolha do controlador mais adequado para projetos de controladores avançados: tipo um controle adaptativo, controle fuzzy ou controle neural. As dificuldades de projeto e os resultados das simulações foram os principais indicadores na avaliações dos dois RV digitais projetados. De uma forma geral o RV digital direto apresentou melhor desempenho, estabilidade e menor esforço computacional, entretanto, o RV digital indireto mostrou desempenho similar, menor degradação devido às não linearidades e ao menor esforço de projeto. / This paper makes an analyze of a digital controller for the speed control in a hydroelectric factory of Curuá-Una. It’s used two design strategies, one that uses the indirect approach where the controller design is still done on the continues plane and then discretized and direct strategy , where the controller is designed entirely in the discrete plane. The knowledge generated using simulated tests is of great importance because it is one of the major tools to evaluate the performance of digital controllers in a secure environment. The study also contribute with the replacement of old equipment ( with a discontinued production) for digitalized equipment that allow the implementation of modern controllers, this way providing the replacement of classic continues controllers for advanced modern digital controllers, maximizing the efficiency of the system under adverse operation conditions. The work raises the differences, advantages and disadvantages of each controller, in order to assist in choosing the most suitable driver for the design of advanced controllers: adaptive control, fuzzy control or neural control. The difficulties of design and simulation results were the main indicators in assessments of the two digital speed regulator (SR) projected. In overall the SR Direct Digital had the best performance, stability and less effort, however, SR indirect digital performance showed similar, less degradation due to nonlinearities and less design effort.

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul / Islanding occurs when a part of the electrical system is supplied solely by a unit or group of distributed generators isolated from the main electrical network. When the center of Distributed Generation (DG) operates connected to the electrical system, the stability depends especially on the inertia of the large power generation plants. However, when DG operates in isolation, the stability depends on the response from controllers, the dynamics of the turbine and generator to maintain the system in normal operation. Due to the low inertia of the isolated system, the network is more susceptible to sags or swells and violations in the frequency levels. Thus, this work aims to analyze the stability of systems with DG operating in isolation, making sure that it can keep the stress levels and appropriate frequency. Dynamic simulation system are performed in Matlab Simulink® environment using the SimPowerSystems library, where the case study is carried out with a DG type Small Hydroelectric Plant (SHP), analyzing the stability of microgrid upon disconnection with the system main and stand-alone operation (load shedding, load connection, short circuit, among other contingencies). It is also observed the behavior of the microgrid in cases of restoration of power supply through the start of DG operating in isolation. / O ilhamento ocorre quando uma parte do sistema elétrico é suprida unicamente por uma unidade ou grupo de geradores distribuídos isolados da rede elétrica principal. Quando a central de Geração Distribuída (GD) opera conectada ao sistema elétrico, a estabilidade depende especialmente da inércia das grandes centrais de produção de energia. No entanto, quando a GD opera em modo isolado, a estabilidade depende da resposta dos controladores, da dinâmica da turbina e do gerador para manter a rede elétrica em operação adequada. Devido à baixa inércia do sistema isolado, a rede fica mais susceptível a afundamentos e/ou elevações de tensão e violações nos níveis de frequência. Desta forma, este trabalho tem o objetivo de analisar a estabilidade de sistemas com GD operando no modo isolado, verificando se a mesma pode manter os níveis de tensão e frequência adequados. As simulações dinâmicas são realizadas em ambiente Matlab® Simulink®, utilizando a biblioteca SimPowerSystems, onde o estudo de caso é realizado com uma GD do tipo Pequena Central Hidrelétrica (PCH), analisando a estabilidade da microrrede no momento da desconexão do sistema principal e em operação isolada (rejeição de carga, conexão de cargas, curto-circuito, entre outras contingências). Também é verificado o comportamento da microrrede em casos de recomposição do fornecimento de energia através da partida da GD em operação isolada.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This study had as main objective to perform the modeling and analysis of transient stability of a typical electric power system. The second goal, also important, was to assess the feasibility of using ATP (Alternative Transients Program) as a computer tool for simulation of transient stability. The system focused here is comprised of nine busses with three generators, one hydraulic and the other two with thermal characteristics. All the system machines were equipped with voltage regulators and speed governor in ATP software. The technical issues studied here refer to the analysis of system stability after a disturbance, such as: three-phase short-circuit, load loss and generation outage. The results show that ATP software performs satisfactorily the transient stability analysis. This fact can also be proved by comparing the results obtained from ATP with those from simulations with PSAT (Power System Analysis Toolbox). For this purpose some adjustments were necessary in the graphical results since ATP works in time domain while PSAT program operates in the frequency domain. / Este trabalho teve como principal objetivo realizar a modelagem e a análise da estabilidade transitória de um sistema elétrico de potência típico. O segundo objetivo, também importante, consistiu em avaliar a viabilidade de se utilizar o ATP (Alternative Transients Program) como uma ferramenta computacional para simulação de estabilidade transitória. O sistema aqui enfocado é composto por nove barramentos com três unidades geradoras, uma com característica hidráulica e as outras duas com características térmicas. Todas as máquinas do sistema foram equipadas com reguladores de tensão e velocidade no programa ATP. As questões técnicas estudadas aqui se referem à análise da estabilidade do sistema após uma perturbação, sendo elas: falta trifásica, perda de carga e saída de geração. Os resultados mostram que o software ATP realiza satisfatoriamente a análise de estabilidade transitória. Este fato pode também ser comprovado pela comparação dos resultados obtidos com o ATP com aqueles provenientes de simulações com o PSAT (Power System Analysis Toolbox). Para este propósito foi necessário realizar alguns ajustes nos resultados gráficos já que ATP trabalha no domínio do tempo enquanto que o programa PSAT opera no domínio da frequência, tais como: transformação de alguns gráficos fornecidos pelo ATP em pu. / Mestre em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to analyze the dynamic performance of a synchronous generator and its controls in a distributed generation system, as well as evaluate the impacts of its operation when connected to the distribution grid, using for this task the ATPDraw interface/tool of software ATP. Within this context, it is firstly necessary to obtain suitable models to represent the synchronous machine control systems (voltage regulator, speed governor and stabilizer system) in ATPDraw. Furthermore, for stability analysis, it is developed a mathematical technique to calculate the machine power angle which is represented in ATPDraw by a device (icon). The adjustments of voltage and speed control system parameters are performed by some adopted procedures which are verified using two electric systems: the first one with a synchronous generator connected to the distribution grid; and the second with three distinct generators forming a multimachine system. In these systems some disturbances are applied such as load shedding and short-circuit to accomplish the studies. Finally, with the previous results, it is carried out some dynamic performance studies of a synchronous generator of an independent producer connected to a distribution grid so as to assess aspects of power quality (voltage magnitude), stability and to evaluate the influence of machine controls during the system response for a given load shedding. / Este trabalho tem como objetivo analisar o desempenho dinâmico de um gerador síncrono e seus controles, num sistema de geração distribuída, assim como avaliar os impactos causados por este quando da sua operação conectado às redes de distribuição, utilizando a interface ATPDraw do software ATP. Neste contexto, é primeiramente necessário obter modelos adequados para representar os sistemas de controle da máquina síncrona (regulador de tensão e regulador de velocidade e estabilizador do sistema) no ATPDraw. Além disso, para análise de estabilidade é desenvolvido uma técnica matemática para o cálculo do ângulo de potência da máquina a qual é representada no ATPDraw por um dispositivo (ícone). Para ajustar os parâmetros dos sistemas de controle de tensão e de velocidade são apresentados alguns procedimentos adotados, sendo estes verificados por meio de dois sistemas elétricos: o primeiro com um gerador síncrono conectado a uma rede de distribuição; e o segundo composto por três geradores distintos formando um sistema multimáquinas. Nesses sistemas são aplicados distúrbios do tipo rejeição de carga e curto-circuito para realização dos estudos. Finalmente, com os resultados obtidos anteriormente, são realizados estudos do desempenho dinâmico de um gerador síncrono de um produtor independente, conectado a rede de distribuição, para avaliar aspectos de qualidade de energia (magnitude de tensão), de estabilidade e verificar as influências dos controles da máquina durante a resposta do sistema para uma dada rejeição de carga. / Mestre em Ciências

[pt] Os Sistemas de Energia Elétrica (SEE) operam de acordo com limites de segurança definidos pelo planejamento da operação através de simulações computacionais. Portanto, os componentes da rede elétrica devem ser devidamente modelados para garantir uma operação segura e econômica. A tecnologia dos sistemas de medição fasorial sincronizada permite a obtenção de registros de distúrbios reais, que podem ser comparados com simulações para verificar sua aderência. Tem-se verificado nos atuais SEE diferenças entre os registros e as simulações computacionais dos eventos observados. Tais diferenças têm ocorrido também no Sistema Interligado Nacional (SIN), principalmente em relação ao desvio de frequência, sendo a resposta simulada menos severa quando comparada ao comportamento observado, podendo levar o SIN a operar em um ponto inseguro com risco de atuação de esquemas regionais de alívio de carga. Nesta dissertação são avaliados os modelos de usinas hidráulicas e termoelétricas e os parâmetros que podem influenciar significativamente a resposta das simulações, com ênfase no desempenho da frequência. Distúrbios que ocorreram no SIN são reproduzidos utilizando casos de tempo real, construídos a partir dos dados de estimadores de estado, em conjunto com uma base de modelos dinâmicos. Os resultados das simulações são comparados com os registros reais obtidos pelas PMUs (Phasor Measurement Unit) instaladas no SIN. Parâmetros como altura de queda, resposta dos reguladores de velocidade e modelagem dinâmica e estática das cargas são investigados. Impactos e simulações do fenômeno multi-infeed são apresentados. Os resultados obtidos mostram a necessidade de melhorias nos modelos e nos parâmetros de entrada das simulações de transitórios eletromecânicos do SIN. Ressalta-se a importância da contínua validação sistêmica e específica dos modelos para o planejamento da operação do SIN. / [en] Electric power systems (EPS) operate according to safety limits defined by the operation planning assessed through computer simulations. Therefore, the components of the electrical grid must be properly represented to ensure secure and economical operation. The technology of synchronized phasor measurement systems allows to obtain records of actual faults, which can be compared to simulation results to check their accuracy. Differences between records and computer simulations of the observed events have been verified in the current EPS. Such differences have also occurred in the Brazilian interconnected system (BIS), mainly related to frequency deviations, with the simulated response being less severe when compared to the observed performance. This may lead the BIS to operate under unsafe conditions, with risk of activating regional protection schemes for load shedding; a possible hasty and undesirable action. In this dissertation, the models of hydraulic and thermoelectric power plants and other parameters that can significantly influence the response of simulations are evaluated, with an emphasis on frequency performance. Disturbances that occurred in the BIS are reproduced using real-time cases, built from state estimator data, together with a collection of dynamic models. The simulation results are compared with the actual records obtained by PMUs (Phasor Measurement Units) installed in the BIS. Parameters such as hydropower head, response of speed regulators and dynamic and static modeling of loads are explored. Impacts and simulations of the multi-infeed phenomenon are also presented. The results show the need for improvements in the models and simulation input parameters of electromechanical transient studies of the BIS. There is a continuous need to observe the systemic and specific validation of models for planning and operation of the BIS.