Resumo: Este relatório contém as atividades de pesquisa desenvolvidas após a obtenção do título de Doutor, com vista à realização do concurso de livre-docência, constituindo, na essência, o texto sistematizado. Acompanha o texto sistematizado, as principais ferramentas que são usadas e citadas no texto

Orientador: Marcos Julio Rider Flores / Banca: Rubén Augusto Romero Lázaro / Banca: Antonio Cesar Baleeiro Alves / Resumo: Esta pesquisa propõe uma nova abordagem para o problema de alocação ótima de dispositi- vos SVC (Static Variable Compensator) e TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator) no sistema de transmissão de energia elétrica. Desde o surgimento dos FACTS na década dos anos 70, estes dispositivos tornaram-se em uma importante ferramenta na solução dos proble- mas clássicos da transmissão. Os FACTS ajudam a aumentar a capacidade de controle de fluxo ao longo das linhas e, ao mesmo tempo, a aumentar a estabilidade do sistema. Assim, estes dispositivos podem ajudar a aumentar a transmissão máxima de potência entre as regiões do sistema e também ajudar na estabilidade dinâmica do sistema. Conhecer os benefícios que os FACTS fornecem ao sistema de transmissão é importante para otimizar esse aprimoramento. Várias características devem ser levadas em consideração para encontrar um local ideal para um FACTS no sistema de transmissão, tais como: o tipo do dispositivo, o tamanho do dispo- sitivo, a transmissão de potência do sistema e as violações dos limites de tensão e de potência reativa no sistema. Este trabalho aloca dois tipos de equipamentos FACTS, SVC e TCSC. No passado, diferentes abordagens têm sido desenvolvidas com o objetivo de alocar de forma otimizada FACTS em um sistema. Estas abordagens definem o local ótimo avaliando os bene- fícios, seja em regime permanente ou em estado transitório, que os FACTS proporcionam ao sistema. O objetivo e maior contribuição desta pesquisa é encontrar uma solução do problema de alocação ótima de SVCs e TCSCs que junte, avaliando em uma mesma função objetivo, tanto os benefícios no regime permanente, quanto os benefícios dinâmicos que o equipamento proporciona ao sistema em um determinado local. A função objetivo do modelo de otimização é calculada quando um dispositivo FACTS é instalado num local específico. Os critérios de oti- mização dependem do custo de... / Abstract: This research proposes a new approach for the problem of SVC and TCSC allocation in a trans- mission system. Since the rising of FACTS in the late 1970s, this type of devices had become a great tool in the search of solutions for the classic power transmission basic limitations. FACTS help to increase the controllability of flow over the lines and at the same time enhance the system stability. So, these devices can help in steady state augmenting the maximum power transfer among regions of the system and also, help in both the transient and dynamic stability of the system. Knowing the benefits that the FACTS provide to a transmission system, it is important to optimize this betterment. Several features must be taken into consideration to find an optimal location for FACTS in transmission systems such as device type, device size, total system power transfer and voltage and reactive power limit violations in the system. This work allocates two types of FACTS devices, the SVC (Static Variable Compensator) and TCSC (Thy- ristor Controlled Series Compensator). In the past, different approaches have been developed aiming to optimally allocate FACTS in a system. These approaches define their optimal loca- tion evaluating the benefits in steady state or the stability enhancement that the FACTS provide to the system. The objective and greatest contribution of this research is to find a solution for the problem of «optimal location of FACTS» that joins, evaluating in one objective function, both the steady state benefits and the dynamic benefits that the device provide to the system in a specific location. The objective function of the optimization model is calculated when a FACTS device is installed in a specific location. Its optimization criteria depend on the overall generation cost, total system losses, investment costs, maximum loading and system's transient stability. PSAT, a Matlab toolbox, is used to run the routines necessary to ... / Mestre

Orientador: Percival Bueno de Araujo / Banca: Laurence Duarte Colvara / Banca: Gideon Villar Leandro / Resumo: O principal objetivo deste trabalho é a utilização do modelo de injeção de potência do dispositivo FACTS TCSC (Thyris-tor Controlled Series Capacitor) na análise da estabilidade a pequenas perturbações de sistemas elétricos de potência. Para atingir este objetivo é deduzido o modelo de injeção de potência do TCSC, cujo equacionamento é adicionado ao Modelo de Sensibilidade de Po-tência (MSP), utilizado para representar o sistema elétrico de potência (SEP). Para o amortecimento das oscilações eletromecânicas de baixa frequência do SEP são utilizados dois modelos para os controladores, um que considera somente um ganho proporcional e outro comumente chamado na literatura de controlador suplementar de amortecimento (POD - Power Oscillation Damping) que contém também blocos de avanço- atraso de fase. Ambos os controladores devem atuar em conjunto com o TCSC para fornecer amortecimento ao SEP. Neste trabalho o sinal de entrada para os dois controladores é a variação da potência ativa na linha de transmissão de instalação do TCSC e seus parâmetros são ajustados de duas formas: pelo método dos resíduos e utilizando o toolbox rltool (SISO) do software MATLAB. Para a validação do equacionamento desenvolvido foram realizadas simulações em um sistema de potência simétrico, de duas áreas, composto de 4 geradores e 10 barras / Abstract: This work presents a power injection model for the Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC), a Flexible AC Transmission Systems (FACTS) device, for small signal stability analysis in the electric power systems. To achieve such goal, the TCSC injection power model equations are summed up to the Power Sensitivity Model (PSM) which is used to represent the electric power system (EPS). For the low frequency electromechanical oscillation damping, two models are used to represent the controller: 1. A proportional control and; 2. A supplementary control known as Power Oscillation Damping (POD), which also comprehends lead-lag blocks. Both controllers, previously cited, must work together with the TCSC to damp oscillations in the EPS. In this work, the input signal for both controllers is the real power flow variation in the transmission line where the TCSC is placed and the controllers parameters are adjusted using the residues method and the Matlab toolbox rltool (SISO). Several simulations in a symmetrical, two areas power system, composed of four generators and ten busses, are provided in way to validate the power injection model and are discussed in this work / Mestre

Orientador: Dílson Amâncio Alves / Banca: Francisco Villarreal Alvarado / Banca: Eduardo Nobuhiro Asada / Resumo: Este trabalho apresenta um novo esquema de parametrização geométrico para o fluxo de carga continuado que possibilita o traçado completo das curvas P-V, e o cálculo do ponto de máximo carregamento de sistemas de potência, sem os problemas de mau-condicionamento. O objetivo é o de apresentar de uma forma clara e didática, os passos envolvidos no desenvolvimento de uma técnica de parametrização geométrica a partir da observação das trajetórias de solução do fluxo de carga. A técnica associa robustez com facilidade de compreensão. A singularidade da matriz Jacobiana é eliminada pela adição da equação de uma reta que passa por um ponto no plano formado nas variáveis magnitude da tensão nodal e o fator de carregamento, dois parâmetros físicos de fácil compreensão. O uso desta técnica amplia o grupo das variáveis de tensão que podem ser usadas como parâmetro de continuação. Os resultados obtidos com a nova metodologia para os sistemas testes do IEEE (14, 30, 57, 118 e 300 barras), mostram que as características do método convencional são melhoradas e a região de convergência ao redor da singularidade é ampliada. Vários testes são apresentados com intuito de prover um completo entendimento do método proposto e possibilitar comparação e a avaliação do desempenho do esquema de parametrização proposto. / Abstract: This work presents a new geometrical parameterization scheme to the continuation power flow that allows the complete tracing of P-V curves and the computation of the maximum loading point of a power system, without ill-conditioning problems. The objective is to present in a clear and didactic way, the steps involved in the development of a geometrical parameterization technique from the observation of the behavior of power flow solutions path. The technique associates robustness with simplicity and easy interpretation. The Jacobian matrix singularity is overcome by the addition of a line equation which passes through a point in the plane determined by variables bus voltage magnitude and the loading factor, two physical parameter of easy understanding. The use of this technique enlarges the group of voltage variables that can be used as continuation parameter. The results obtained with the new methodology for the IEEE systems (14, 30, 57, 118 and 300 buses), show that the characteristics of the conventional method are improved and the region of convergence around the singular solution is enlarged. Many tests are also presented in intention to provide the complete understanding of the proposed method and to allow the comparison and assessment of the performance of the proposed parameterization scheme. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-11-07Bitstream added on 2014-06-13T19:47:13Z : No. of bitstreams: 1 malange_fcv_dr_ilha.pdf: 1077798 bytes, checksum: 6e2455ed107dc7931eb5bc7473ecce8a (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta uma metodologia alternativa para a melhoria da margem de carregamento e redução da perda total de potência ativa com base no método da continuação. Para atingir esta meta, uma equação de parametrização baseada na perda de potência ativa total e as equações da potência reativa nas barras de geração são acrescentadas às equações de fluxo de carga convencional. As tensões nas barras PV são consideradas como variáveis de controle e um novo parâmetro é escolhido para reduzir as perdas de potência ativa nas linhas de transmissão. Os resultados mostram que este procedimento, em geral, conduz a um aumento no ponto de máximo carregamento e por conseguinte, melhoria na margem estática da estabilidade de tensão. Este procedimento também leva a uma redução nos custos operacionais e, simultaneamente, uma melhoria no perfil da tensão. / This work presents an alternative methodology for loading margin improvement and total real power losses reduction by using a continuation method. In order to attain this goal, a parameterizing equation based on the total real power losses and the equations of the reactive power at the slack and generation buses are added to the conventional Power Flow equations. The voltages at these buses are considered as control variables and a new parameter is chosen with to reduce the real power losses in the transmission lines. The results show that this procedure leads to maximum loading point increase and consequently, in static voltage stability margin improvement. Besides, this procedure also takes to a reduction in the operational costs and, simultaneously, to voltage profile improvement.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-11-28Bitstream added on 2014-06-13T18:40:58Z : No. of bitstreams: 1 estevam_crn_dr_ilha.pdf: 688925 bytes, checksum: 6b0f845a4b7167c14ef183478f06f449 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho, propõe-se um algoritmo Branch and Bound não linear para resolver o problema de planejamento e despacho ótimo de fontes de potência reativa em sistemas de energia elétrica. O modelo de planejamento é formulado como um problema de programação não linear inteiro misto, não convexo e de grande porte. Este modelo consiste na minimização dos custos das fontes reativas contínuas e ou discretas que devem ser alocadas no sistema. As restrições consideradas no modelo devem assegurar a qualidade e a confiabilidade do suprimento de energia para os consumidores, mantendo as magnitudes das tensões dentre seus limites pré-estabelecidos, atendendo as demandas de potência ativa e reativa e um conjunto de restrições físicas e operacionais dos equipamentos instalados no sistema tais como: limite nas capacidades de geradores, compensadores síncronos e estáticos e os limites na variação dos “taps” dos transformadores. O aspecto relevante deste trabalho é que o algoritmo proposto resolve diretamente problemas de programação não lineares inteiros misto, resolvendo em cada nó da árvore de Branch and Bound um problema de programação não linear que é o despacho ótimo de fontes reativas, em que as restrições de discretização das variáveis de alocação ou investimento dos bancos de capacitores e indutores são relaxadas. Estes problemas são resolvidos utilizando o método de pontos interiores (MPI) primal-dual preditor-corretor, que geralmente melhora o desempenho do MPI. O algoritmo Branch and Bound não linear proposto possui técnicas eficientes para a escolha do próximo subproblema que deve ser resolvido assim como a variável de separação dos subproblemas e os testes de sondagem. Para contornar os problemas de mínimos locais que são encontrados na resolução dos problemas de programação não linear, os testes de sondagem foram redefinidos... / A nonlinear Branch and Bound algorithm to solve the problem of reactive optimal dispatch and planning of electrical power systems is proposed in this work. The planning model is formulated as a nonlinear non convex and large scale programming problem. This model consists of minimizing the costs of the reactive continuous and/or discrete sources that must be allocated on the system. The constraints considered on the model must assure the quality and reliability of supplying energy to the users maintaining the voltage magnitudes within the predefined limits, attending the active and reactive power demand and a set of physical and operational constraints of the installed equipment such as: generator capacity limits, synchronous and static compensators and the tap of the transformers. The emphasis of this work is that the proposed algorithm solves the integer nonlinear problems directly. A nonlinear programming problem is solved in each node of the Branch and Bound tree which is the optimal reactive power dispatch where the constraints that adjust the capacitors and inductors banks are relaxed. These problems are solved using the interior point method (IPM) primaldual predictor corrector, which in general improves the performance of the IPM. The nonlinear Branch and Bound algorithm proposed has efficient techniques to choose the next sub problem that must be solved as well as the separation variable of the sub problems and the sounding tests. To minimize the local minima problem, that are found solving the nonlinear programming problem, the sounding test were redefined adding a predefined percent to the current incumbent, obtaining an additional security margin, where in nonlinear problems not always the objective function value to a posterior problem is greater than the predecessor. Results are presented for test systems as IEEE30, IEEE118 and IEEE300. By simulations... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-06-03Bitstream added on 2014-06-13T18:06:52Z : No. of bitstreams: 1 granadaecheverri_m_dr_ilha.pdf: 1034987 bytes, checksum: 0830ef0e1369761b1aceecd4131f8f78 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / PROPG - Programa de Pós-Graduação / Nesta pesquisa tem-se por objetivo resolver de forma descentralizada os problemas de despacho e planejamento ótimo de fontes de potência reativa (POVAr) no contexto de sistemas com múltiplas áreas ou regiões interligadas. Na solução descentralizada o problema de otimização é dividido em subproblemas associados a cada área. Os operadores regionais resolvem, coordenadamente, subproblemas de menor dimensão utilizando os dados de rede de suas áreas e informações de fronteira associadas às linhas de interligação. Para conseguir este objetivo, esta pesquisa está dividida em 4 etapas principais: i) formalizar os problemas de planejamento e de despacho ótimo de potência reativa, ii) determinar a viabilidade da aplicação de duas diferentes técnicas de decomposição para resolver o problema de despacho ótimo de potência reativa multi-área, iii) propor várias metodologias para lidar com variáveis discretas no problema de despacho e planejamento ótimo de potência reativa em SEP multi-área, e iv) propor um método de análise multi-área para o problema de planejamento ótimo de reativos sob contingências. Para mostrar o funcionamento e a eficiência das metodologias propostas, vários sistemas multi-áreas são utilizados: o sistema IEEE RTS-96 com 3 e 5 áreas e um sistema interligado conformado por 3 áreas do sistema IEES RTS-96 e duas áreas do sistema IEEE de 118 barras / This research has been aimed at solving the decentralized problem of reactive power sources optimal planning (VAr planning) in the context of systems with multiple interconnected areas. In the decentralized solution, the optimization problem is divided into subproblems associated with each area. The regional operators solve, coordinately, smaller subproblems using the network data from their areas and border information associated with the tie-lines. To propose a method to the decentralized VAr planning problem, four basic aspects are covered. First, formalize the problems of planning and optimal dispatch of reactive power. Second, the viability of applying two different decomposition techniques to solve the problem of optimal reactive power dispatch, as well as its convergence properties, are analyzed. Third, several techniques for handling discrete variables in the decentralized VAr planning problem are proposed and tested. Fourth, a decentralized approach to the VAr planning under contingency in multi-area systems is provided. To show the operation and efficiency of the proposed methodologies, several multi-area systems are used: the IEEE RTS-96 system with 3 and 5 areas and an interconnected system formed by three areas of the IEEE RTS-96 and two areas of the IEEE 118 bus system

Orientador: Laurence Duarte Colvara / Banca: Carlos Roberto Minussi / Banca: Wagner Peron Ferreira / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo sobre a relação entre os principais tipos de bifurcações que ocorrem em sistemas elétricos de potência e em quais ocasiões elas podem ocorrer em máquinas síncronas com ou sem RAT (Regulador Automático de Tensão). Para explorar tais fenômenos, primeiramente o sistema é modelado, sendo utilizado para o caso MBI (Máquina - Barramento In nito) o modelo um eixo e, então, a matriz de estado é calculada para a análise dos autovalores. Para os sistemas multimáquinas estudados, são incluídos dois enrolamentos amortecedores nos eixos d ¡ q. São então apresentados os métodos de análise de estabilidade transitória convencionais, amplamente utilizados, conhecidos como método Tradicional e Método Direto. As condições para a ocorrência de bifurcações são analisadas utilizando os coe - cientes linearizados do modelo de He ron-Phillips para o caso MBI, onde é mostrado que se espera perder a estabilidade para o sistema com regulador automático de tensão através de uma bifurcação de Hopf e para o caso sem RAT através de uma bifurcação Sela-Nó. Por m, é analisado o ciclo-limite para o caso de uma máquina - barramento in nito e para sistemas multimáquinas através do modelo não-linear. A região de estabilidade é analisada no plano de fase, sendo mostrada a necessidade de incluir a variação de uxo no enrolamento de campo para uma análise correta da estabilidade. É também mostrado que este ciclo-limite pode reduzir a fronteira de estabilidade calculada pelo método convencional. / Abstract: The aim of this study is the relation among main types of bifurcations that occur in electrical power systems and the circumstances they can happen with the synchronous machines considered with or without AVR (Automatic Voltage Regulator). To explore such phenomena, the system is rst modeled with the synchronous machines described by the one axis model for the MIB (Machine - In nite Bus) case , and so the state matrix is computed for the analysis of its eigenvalues. For multimachine systems case two windings dampers are included in d-q axes. The conditions for the occurrence of bifurcations are analyzed using the coe cients of the He ron-Phillips model for MIB case, where it is shown that one expects the system with automatic voltage regulator lose synchronism through a Hopf bifurcation and for the case without RAT through a Saddle- Node Bifurcation. Finally, the nonlinear model is accounted for in order to consider the limit-cycle for the case of one machine - in nite bus case as well as for multimachine system. Since internal voltage a ects the boundary of the stability region it must be considered. Then the phase portrait does not su ce and the trajectories must to be observed in a sub space de ned with the internal voltage. It is also shown that this limit-cycle can reduce the boundary of stability calculated by means of the direct method. / Mestre

Orientador: Laurence Duarte Colvara / Banca: Percival Bueno de Araujo / Banca: Geraldo Caixeta Guimarães / Resumo: Os efeitos de compensação série em uma linha de transmissão sobre a potência sincronizante entre máquinas de um sistema de energia elétrica são considerados mediante análises da matriz admitância de barra, focando as admitâncias de transferência entre máquinas. Com este propósito, faz-se a redução da matriz que descreve a rede às barras internas das máquinas, preservando, no entanto, os efeitos da ação do compensador na capacidade de sincronização entre máquinas do sistema, definindo o Coeficiente de Eficácia e o Fator de Efeito da compensação sobre a admitância de transferência. Alguns estudos de casos foram efetuados com a finalidade de observar o comportamento do Fator de Efeito, visando, além de validar sua utilização para descrever o desempenho do sistema de potência com atuação de um TCSC, considerar sua habilidade em discriminar ligações entre máquinas que são mais severamente afetadas pela compensação série de outras que são pouco ou nada afetadas. Embora os testes tenham sido aplicados a sistemas exemplo de pequeno porte, os resultados obtidos são promissores / Abstract: The main concern lies in the TCSC action installed in a multimachine power system. The device effects upon the synchronizing power are taken into account by means of bus admittance matrix, focusing the intermachine transfer admittances. Since the purpose is to analyze the transfer admittances between machines, the bus admittance matrix is reduced to the machines internal busses preserving the compensator action effects by means of coefficients defined in order to evaluate the effectiveness and effect of the device action upon the intermachines synchronizing capacity. Some cases were evaluated in order to observe the effectiveness coefficient and effect factor as a power system performance descriptor with a TCSC action. The ability of the effect factor in pointing out intermachines connections that are more or less affected by the compensator is investigated. Although tests were applied to small sample systems, the obtained results are considered very promising / Mestre

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2012-10-24T14:57:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 266666.pdf: 6083437 bytes, checksum: ebe217e0364257ee1d76960971e5ccf2 (MD5) / A evolução das atividades produtivas, a gestão participativa e descentralizada dos recursos hídricos, a dependência de energia da atual sociedade e o mote do desenvolvimento sustentável norteiam e acarretam novas direções para o planejamento do setor de energia elétrica. Nesse sentido, este trabalho desenvolve um sistema de suporte à decisão ao planejamento integrado entre os setores de recursos hídricos e de energia elétrica, condicionado pelos usos múltiplos das águas, em uma bacia hidrográfica. Para tanto, implementa-se um modelo baseado na Dinâmica de Sistemas e na metodologia multicritério de apoio à decisão. O modelo desenvolvido envolve os pontos de vista dos diversos atores sociais e auxilia nas soluções de comprometimento no caso de a demanda hídrica ser superior à oferta, considerando as restrições operativas, variáveis hidrológicas, econômicas, sociais e ambientais, segundo as atuais diretrizes do sistema de gestão das águas. O modelo foi aplicado a um sistema delimitado por uma bacia hidrográfica com quatro usinas hidrelétricas em cascata, estabelecendo cenários que permitem a análise da evolução da disponibilidade hídrica para produção de energia elétrica e dos usos múltiplos, além das implicações dos trade-offs auferidos a cada segmento econômico usuário das águas diante do Ótimo de Pareto.