Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2017-12-13T16:54:10Z No. of bitstreams: 1 CÉLIO ANÉSIO DA SILVA - TESE (PPGEE) 2014.pdf: 1651226 bytes, checksum: a70dc4864a551f419c02ff41303eaffc (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-13T16:54:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CÉLIO ANÉSIO DA SILVA - TESE (PPGEE) 2014.pdf: 1651226 bytes, checksum: a70dc4864a551f419c02ff41303eaffc (MD5) Previous issue date: 2014-05-29 / Capes / Um novo método de obtenção de parâmetros de filtros digitais recursivos (FDR) é apresentado para reduzir o impacto da resposta transitória dos Transformadores de Potencial Capacitivos (TPC) sobre o desempenho dos sistemas de medição, proteção e controle. Assumindo uma topologia predefinida, os parâmetros dos filtros são obtidos a partir da resposta em frequência do TPC de interesse. Diferentemente das técnicas reportadas na literatura, o método se aplica com facilidade a TPC de diferentes classes de tensão e independe das características operacionais do sistema. Para tanto, faz-se necessário conhecer a resposta em frequência do TPC em questão, no espectro de frequência de interesse. A validação do método é realizada através de simulações digitais em tempo real via simulador RTDSTM (Real Time Digital Simulator). As análises são baseadas em dados de sistemas elétricos reais e no funcionamento dinâmico dos filtros através da estimação dos fasores das tensões e estudos de localização de falta. A partir dos resultados obtidos, verifica-se que a presença dos FDR reduz significativamente os erros de medição causados pelos TPC quando submetidos a condições transitórias. Portanto, os FDR surgem como uma forma simples e de baixo custo para melhorar o desempenho e a confiabilidade dos sistemas de medição, proteção e controle. / A new method for obtaining recursive digital filter (FDR) parameters is presented in order to reduce the impact of Coupling Capacitor Voltage Transformer (CCVT) transient response on the performance of the measurement, protection and control systems. Assuming a pre-defined topology, the filter parameters are obtained from the CCVT frequency response of interest. Unlike the techniques reported in the literature, the method applies easily to CCVT of different voltage classes and it does not depend on the operating characteristics of the system, therefore, it is necessary to know the frequency response of the CCVT on the frequency spectrum of interest. The method is validated is through digital simulation using the RTDSTM (Real Time Digital Simulator). The analyzes are based on data obtained from electrical systems in service and on the dynamic performance of the filters by estimating the phasors of voltages and fault location studies. It is shown that the presence of FDR significantly reduces measurement errors caused by CCVT when subjected to transient conditions, therefore, the FDR arises as a simple and low cost alternative to improve the performance and reliability of measurement systems, protection and control.

Considerando condições anormais que o Sistema Elétrico de Potência (SEP) está sujeito, a proteção de seus elementos é um tópico importante. Dentre os equipamentos a serem protegidos, destacam-se os geradores devido a representarem elevado custo de investimento e estarem sujeitos a multas por paradas não programadas. Desta forma, com base em pesquisa bibliográfica, observa-se que não existem estudos abrangentes para a proteção individual de máquinas síncronas aplicadas à geração eólica. Além disso, considerando o contexto das smart grids, a presença de baterias e a possibilidade da operação ilhada podem alterar a dinâmica das situações de falta. Portanto, faz-se necessário um estudo do comportamento dos aerogeradores em situações de falha, sabendo que o esquema de proteção depende do tipo de gerador e da maneira como este está conectado ao SEP. Neste sentido, esta pesquisa propôs incluir uma bateria para operar com um gerador eólico de velocidade variável de forma complementar, suavizando a potência de saída e tornando o sistema de conversão de energia eólica forte o suficiente para operar no modo ilhado. A metodologia estabelece vários tipos de falhas para investigar o comportamento da turbina eólica em tais condições. Para realizar as simulações de falta, foi utilizado um simulador digital de tempo real (RTDS®). Com base nisso, um esquema composto por funções de proteção convencionais foi especificado e testado usando o software MATLAB®. Além disso, simulações em laço fechado foram realizadas com relés comercial e universal. Os resultados obtidos com o esquema proposto são bastante promissores. / Considering abnormal conditions to which the Electric Power System (EPS) may be subjected, the protection of its elements is an important topic. Among the equipments to be protected, the generators are highlighted, because they represent a high investment cost and are subjected to penalties for unscheduled stoppages. Hence, based on literature, it is observed that there are no comprehensive studies and standards for individual protection of Synchronous Generators (SGs) applied to Wind Energy Conversion System (WECS). Furthermore, considering the smart grids context, the presence of batteries and the possibility of island operation may change the dynamic of fault situations. Therefore, it is necessary to study and analyse the behavior of wind turbines in fault situations, knowing that the protection scheme is dependent on the generator type and the way it is connected to the EPS. In order to study these issues, this research proposed to include a battery to operate with a full-variable speed wind generator in a complementary way, smoothing the output power and making the WECS strong enough to operate in the island mode. The methodology establishes several fault types to investigate the wind turbine behavior in such conditions. In order to conduct the fault simulations, a real time digital simulator (RTDS®) was used. Based on this, a scheme composed by conventional protection functions were specified and tested using the MATLAB® software. Furthermore, hardware-in-the-loop simulations were performed with commercial and universal relays. Very good results in favor of the proposed scheme are presented.

Considerando condições anormais que o Sistema Elétrico de Potência (SEP) está sujeito, a proteção de seus elementos é um tópico importante. Dentre os equipamentos a serem protegidos, destacam-se os geradores devido a representarem elevado custo de investimento e estarem sujeitos a multas por paradas não programadas. Desta forma, com base em pesquisa bibliográfica, observa-se que não existem estudos abrangentes para a proteção individual de máquinas síncronas aplicadas à geração eólica. Além disso, considerando o contexto das smart grids, a presença de baterias e a possibilidade da operação ilhada podem alterar a dinâmica das situações de falta. Portanto, faz-se necessário um estudo do comportamento dos aerogeradores em situações de falha, sabendo que o esquema de proteção depende do tipo de gerador e da maneira como este está conectado ao SEP. Neste sentido, esta pesquisa propôs incluir uma bateria para operar com um gerador eólico de velocidade variável de forma complementar, suavizando a potência de saída e tornando o sistema de conversão de energia eólica forte o suficiente para operar no modo ilhado. A metodologia estabelece vários tipos de falhas para investigar o comportamento da turbina eólica em tais condições. Para realizar as simulações de falta, foi utilizado um simulador digital de tempo real (RTDS®). Com base nisso, um esquema composto por funções de proteção convencionais foi especificado e testado usando o software MATLAB®. Além disso, simulações em laço fechado foram realizadas com relés comercial e universal. Os resultados obtidos com o esquema proposto são bastante promissores. / Considering abnormal conditions to which the Electric Power System (EPS) may be subjected, the protection of its elements is an important topic. Among the equipments to be protected, the generators are highlighted, because they represent a high investment cost and are subjected to penalties for unscheduled stoppages. Hence, based on literature, it is observed that there are no comprehensive studies and standards for individual protection of Synchronous Generators (SGs) applied to Wind Energy Conversion System (WECS). Furthermore, considering the smart grids context, the presence of batteries and the possibility of island operation may change the dynamic of fault situations. Therefore, it is necessary to study and analyse the behavior of wind turbines in fault situations, knowing that the protection scheme is dependent on the generator type and the way it is connected to the EPS. In order to study these issues, this research proposed to include a battery to operate with a full-variable speed wind generator in a complementary way, smoothing the output power and making the WECS strong enough to operate in the island mode. The methodology establishes several fault types to investigate the wind turbine behavior in such conditions. In order to conduct the fault simulations, a real time digital simulator (RTDS®) was used. Based on this, a scheme composed by conventional protection functions were specified and tested using the MATLAB® software. Furthermore, hardware-in-the-loop simulations were performed with commercial and universal relays. Very good results in favor of the proposed scheme are presented.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-03-27T15:05:33Z No. of bitstreams: 1 dalmocardosodasilvajunior.pdf: 7879052 bytes, checksum: 389a4104e77ceeccf54e988e08d73109 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-03-27T17:57:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dalmocardosodasilvajunior.pdf: 7879052 bytes, checksum: 389a4104e77ceeccf54e988e08d73109 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-27T17:57:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dalmocardosodasilvajunior.pdf: 7879052 bytes, checksum: 389a4104e77ceeccf54e988e08d73109 (MD5) Previous issue date: 2017-12-11 / As tecnologias de Geração Distribuída (GD), geralmente, consistem em geradores modulares (em grande maioria renováveis) que oferecem uma série de benefícios poten-ciais, além de estarem mais próximos dos consumidores finais. Embora a GD possa ter colaborações como comentado, a inserção de energias renováveis na rede elétrica pode afetar a proteção e também a estabilidade da mesma, implicando em desvios na tensão e na frequência do sistema. Um dos principais problemas enfrentados é a falta de inér-cia das energias renováveis e também o aparecimento de correntes harmônicas devido às cargas não lineares. Baseado nesse cenário, e como forma de solução dos problemas comentados, surge a pesquisa de inversores multifuncionais, capazes de não só conectar tais energias renováveis à rede elétrica, mas também oferecer suporte a ela. Os serviços ancilares incluem auxílio à estabilidade de tensão e frequência, mitigação de conteúdo harmônico, equilíbrio de geração e demanda de energia, entre outros aspectos. Dessa forma, metodologias baseadas nas implementações alternativas de controle, tais como a Máquina Síncrona Virtual e o Filtro Ativo de Potência (FAP) podem ser adotadas como soluções para esses problemas. Nessa vertente, simulações em tempo real com Hardware In the Loop (HIL) no simulador digital de tempo real (Real Time Digital Simulator) (RTDS) e processamento digital de sinal e engenharia de controle (digi-tal Signal Processing and Control Engineering) (dSPACE), são ferramentas poderosas que podem auxiliar o processo de simulação das funções ancilares analisadas. Assim, nesse trabalho, simulou-se o inversor multifuncional como forma de mostrar a efetiva regulação de tensão, frequência e diminuição do conteúdo harmônico em sistemas de potência, especialmente em microrredes de corrente alternada (CA). Por fim, os resul-tados demonstram o funcionamento do sistema e podem ser usados como validação das estratégias de controle propostas. / Distributed Generation technologies generally consist of modular (mostly renewa-ble) generators that offer a number of potential benefits, while being closer to the end consumers. Although the DG present features as commented, the insertion of renewa-ble energies in the electrical network can affect the protection and also the stability of the network, implying in voltage and frequency deviations. One of the main problems faced is the lack of inertia of renewable energies and also the appearance of harmonic currents due to non-linear loads. Based on this scenario, and as a way of solving these problems, the research of smart inverters, capable of not only connecting such renewable energies to the electric grid but also supporting it, emerges. Some ancillary services as voltage and frequency stability, mitigation of harmonic content, balance of generation and energy demand, among other aspects, can be fullfilled. Thus, methodologies based on sophisticated control implementations such as the Virtual Synchronous Machine and the Active Power Filter, can be adopted as solutions to these problems. In this aspect, real-time simulations with Control Hardware In The Loop HIL in Real Time Digital Simulator RTDS and dSPACE, are a powerfulls tool can aid the simulation process of the analyzed ancillary functions. Thus, in this work, the multifunctional inverter was simulated as a way to show the effective regulation of voltage, frequency, and harmonic content mitigation in power systems, especially in AC microgrids. Finally, the results demonstrate the operation of the system and can be used as validation of the proposed control strategies.

O ilhamento em sistemas elétricos contendo geração distribuída ocorre quando parte da rede elétrica torna-se eletricamente isolada da concessionária e o subsistema isolado continua a ser energizado por geradores distribuídos. É importante detectar essa condição, que pode, por exemplo, levar a problemas como alteração da qualidade da energia elétrica e religamento automático fora de sincronismo, causando danos irreversíveis aos equipamentos da rede elétrica. Uma forma de detecção do ilhamento é o uso de funções de proteção de frequência e suas variações, tais como a função de taxa de variação de frequência e a função de deslocamento de fase (ou salto de vetor). Neste contexto, é importante que se tenham modelos computacionais e analíticos confiáveis dessas funções de proteção para que sejam executadas simulações, permitindo validar ajustes e verificar condições anormais de operação. O objetivo desta dissertação é desenvolver e validar modelos computacionais e analíticos das funções de proteção de sub/sobre frequência, taxa de variação de frequência e deslocamento de fase, empregados na detecção de ilhamento de geradores distribuídos. Os modelos computacionais são desenvolvidos em uma plataforma que permite realizar simulações dinâmicas em tempo real. A validação dos modelos é efetuada utilizando funções de proteção existentes em relés comerciais. A avaliação de desempenho dos modelos em relação à proteção anti-ilhamento é realizada utilizando o conceito das curvas de desempenho, as quais foram obtidas a partir de simulações computacionais em tempo real e em malha fechada pelo uso de um simulador digital em tempo real. Os resultados permitem comprovar a efetividade dos modelos para representar as funções de proteção dos relés comerciais ensaiados, com erros abaixo de 3% para uma ampla faixa de pontos de operação do sistema elétrico e do gerador distribuído. / Islanding in power distribution systems with distributed generators occurs when part of the electrical network becomes isolated from the electrical company and the isolated area is still energized by distributed generation. It is important to detect this condition which can lead to problems such as low power quality levels and out of step reclosing, causing severe equipment damages. One of the island detection methods is the use of frequency protection functions and their variations, such as the rate of change of frequency relay and phase shift relay (or vector surge relay). In this context, it is important to obtain reliable relay computational and analytical models to execute simulations that allow verifying and validating settings, and investigating abnormal operation conditions. This dissertation aims to develop and validate computational and analytical models of under and over frequency, rate of change of frequency and phase shift protection functions applied to distributed generation islanding detection. The computational model development is performed on a real time dynamic simulation platform. The model validations are performed using protection functions of commercial relays. The models performance evaluation and validation were carried out by using the performance curves, which are obtained through real time closed loop simulations using a real time digital simulator. The results prove the model effectiveness to represent commercial protection functions, with errors below 3% for a wide range of distribution system and distributed generator operating conditions.

O ilhamento em sistemas elétricos contendo geração distribuída ocorre quando parte da rede elétrica torna-se eletricamente isolada da concessionária e o subsistema isolado continua a ser energizado por geradores distribuídos. É importante detectar essa condição, que pode, por exemplo, levar a problemas como alteração da qualidade da energia elétrica e religamento automático fora de sincronismo, causando danos irreversíveis aos equipamentos da rede elétrica. Uma forma de detecção do ilhamento é o uso de funções de proteção de frequência e suas variações, tais como a função de taxa de variação de frequência e a função de deslocamento de fase (ou salto de vetor). Neste contexto, é importante que se tenham modelos computacionais e analíticos confiáveis dessas funções de proteção para que sejam executadas simulações, permitindo validar ajustes e verificar condições anormais de operação. O objetivo desta dissertação é desenvolver e validar modelos computacionais e analíticos das funções de proteção de sub/sobre frequência, taxa de variação de frequência e deslocamento de fase, empregados na detecção de ilhamento de geradores distribuídos. Os modelos computacionais são desenvolvidos em uma plataforma que permite realizar simulações dinâmicas em tempo real. A validação dos modelos é efetuada utilizando funções de proteção existentes em relés comerciais. A avaliação de desempenho dos modelos em relação à proteção anti-ilhamento é realizada utilizando o conceito das curvas de desempenho, as quais foram obtidas a partir de simulações computacionais em tempo real e em malha fechada pelo uso de um simulador digital em tempo real. Os resultados permitem comprovar a efetividade dos modelos para representar as funções de proteção dos relés comerciais ensaiados, com erros abaixo de 3% para uma ampla faixa de pontos de operação do sistema elétrico e do gerador distribuído. / Islanding in power distribution systems with distributed generators occurs when part of the electrical network becomes isolated from the electrical company and the isolated area is still energized by distributed generation. It is important to detect this condition which can lead to problems such as low power quality levels and out of step reclosing, causing severe equipment damages. One of the island detection methods is the use of frequency protection functions and their variations, such as the rate of change of frequency relay and phase shift relay (or vector surge relay). In this context, it is important to obtain reliable relay computational and analytical models to execute simulations that allow verifying and validating settings, and investigating abnormal operation conditions. This dissertation aims to develop and validate computational and analytical models of under and over frequency, rate of change of frequency and phase shift protection functions applied to distributed generation islanding detection. The computational model development is performed on a real time dynamic simulation platform. The model validations are performed using protection functions of commercial relays. The models performance evaluation and validation were carried out by using the performance curves, which are obtained through real time closed loop simulations using a real time digital simulator. The results prove the model effectiveness to represent commercial protection functions, with errors below 3% for a wide range of distribution system and distributed generator operating conditions.