Nesta tese de doutorado é proposta uma abordagem para estimar a velocidade angular de geradores síncronos conectados em um sistema elétrico de potência, a partir de sinais que podem ser facilmente mensurados, tais como a corrente e a tensão na barra do lado de alta tensão do transformador que conecta o gerador em análise ao restante do sistema. Uma vez que informações precisas sobre o comportamento dinâmico do sistema são de elevada importância para um controle efetivo do SEP, especialmente com o aumento da complexidade da rede, a abordagem proposta nesta tese fornece uma estimativa do sinal de velocidade que pode ser aplicada no estudo da estabilidade a pequenas perturbações para mitigar os problemas inerentes a presença das oscilações eletromecânicas mal amortecidas nos SEPs. A abordagem desenvolvida é composta por dois métodos sendo cada um deles aplicável dependendo das características do problema a ser resolvido e das informações disponíveis para tanto. No primeiro método, uma técnica de sensibilidade da trajetória é aplicada ao sinal de diferença entre a resposta obtida pelo modelo simulado e aquela fornecida por dados amostrados no sistema real emulado. A partir desse sinal de erro e das curvas de sensibilidade, a técnica possibilita calibrar os coeficientes de um modelo linear do SEP e, consequentemente, descrever de forma precisa a resposta da velocidade do gerador em análise. No segundo método, uma técnica de filtragem é utilizada (filtro de Kalman Unscented) a qual fornece uma estimativa adequada para a velocidade angular do rotor mesmo quando elevadas discrepâncias são observadas entre a saída do modelo simulado e a resposta amostrada no sistema real. Os resultados obtidos sobre diferentes sistemas testes evidenciam a eficiência da abordagem proposta. / In this thesis, an approach is proposed to estimate the rotor speed of synchronous generators connected to an electric power system (EPS), from signals that can be easily sampled by measuring equipment, such as current and voltage in high voltage side of the step-up transformer of the power plant. Accurate information about the dynamic behavior of system is essential for effective control and reliable operation of EPS, especially with the increasing complexity of the grid. Hence, the main aim of this work is to provide an estimate of the rotor speed signal that can be applied in the area of small-signal stability, in order to mitigate the detrimental effects of poorly damped electromechanical oscillations in EPSs. The developed approach is composed of two methods, where each of them is applicable depending on the characteristics of the problem to be solved and the available information. In the first method, a trajectory sensitivity technique is applied on the mismatch between the simulated output in the system linear model and the response of the real system. Using this error signal and the sensitivity curves, this method allows to identify and to calibrate some coefficients of the linear model and, consequently, to adequately describe the speed response of the generator under analysis. In this second method, a filtering technique is used, the Unscented Kalman Filter, which provides an adequate estimate for rotor speed even when high discrepancies are observed between the linear model and the sampled response of real system. The results obtained on test systems with different characteristics show the efficiency of the proposed approach.

The number of large-scale wind farms integrated to the power system in Sweden is increasing. Two generator concepts that are widely used are Doubly-Fed Induction Generators (DFIG) and Full Power Converters (FPC). The study is of a quantitative character and the aim of the Master thesis is to compare DFIG-models with FPC-models integrated in an area with high concentration of hydropower. Then it is possible to examine how the dynamics in the power system change depending on the selection of technology (DFIG or FPC) when connecting a wind farm. The power system is simulated during a summer night, i.e., a low load is connected. The Master thesis covers stability analysis of the power system by using rotor angle stability that are split into small-signal stability and transient stability (time-domain simulations) and finally voltage stability to see how the hydropower generators react when varying the power production in the wind farm. The Master thesis concludes that independently of wind turbine technique, integration of a wind farm has slight impact on the stability in the power system compared to a power system without a wind farm, even though the load is low. Further, an integration of a wind farms affects the reactive power production in neighbouring hydropower plants. Finally, when increasing the size of the wind farm the neighbouring hydropower station consume less reactive power which can induce problem with the voltage stability.

The focus of this research is on deriving small signal stability models for different Flexible AC Transmission Systems devices by introducing a simple systematic method that is applicable to any dynamic device. Two different small signal models for Unified Power Flow Controllers are introduced. One model is called the power control mode and the other model is the voltage control mode. The two models are compared from transient stability point of view to show the necessity of developing both models for UPFC. The thesis also shows how to derive the small signal stability model of Static Synchronous Compensator, as the shunt branch of UPFC. The small signal stability models of both devices are then validated to ensure the accuracy of the derived models. STATCOM and UPFC power control mode are validated against PSCAD. The UPFC voltage control mode is validated against nonlinear solution of system equations.

The focus of this research is on deriving small signal stability models for different Flexible AC Transmission Systems devices by introducing a simple systematic method that is applicable to any dynamic device. Two different small signal models for Unified Power Flow Controllers are introduced. One model is called the power control mode and the other model is the voltage control mode. The two models are compared from transient stability point of view to show the necessity of developing both models for UPFC. The thesis also shows how to derive the small signal stability model of Static Synchronous Compensator, as the shunt branch of UPFC. The small signal stability models of both devices are then validated to ensure the accuracy of the derived models. STATCOM and UPFC power control mode are validated against PSCAD. The UPFC voltage control mode is validated against nonlinear solution of system equations.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-08-21Bitstream added on 2014-06-13T19:19:29Z : No. of bitstreams: 1 pereira_als_dr_ilha.pdf: 1505539 bytes, checksum: 8b3fa09211b5f80a63a93c6fd21675aa (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta estudos referentes à inclusão do dispositivo FACTS STATCOM e a utilização de Redes Neurais Artificiais para o ajuste dos parâmetros de sinais adicionais estabilizantes (PSS’s e POD’s) no sistema de potência multimáquinas. O objetivo é a melhoria da estabilidade frente às pequenas perturbações do sistema de energia elétrica. O modelo matemático utilizado para o estudo das oscilações eletromecânicas de baixa freqüência em sistemas de energia elétrica foi o Modelo de Sensibilidade de Potência (MSP), modificado para permitir a inclusão do dispositivo STATCOM. Este modelo baseia-se no princípio de que o balanço de potência ativa e reativa deve ser satisfeito continuamente em qualquer barra do sistema durante um processo dinâmico. Prosseguindo na realização do trabalho foram desenvolvidos os modelos matemáticos para a inclusão dos PSS’s e POD’s no sistema elétrico, bem como foi realizada uma discussão a respeito da escolha do local de instalação destes controladores e técnicas clássicas para o ajuste de seus parâmetros. A partir disto foram utilizadas redes neurais artificiais (RNA’s) com o objetivo de ajustar os parâmetros dos controladores. A rede utilizada para este fim foi a do tipo Perceptron Multicamadas, sendo utilizado para o seu treinamento o algoritmo Backpropagation. Simulações foram realizadas e os resultados obtidos para os sistemas testes Sul Brasileiro, Simétrico de Duas Áreas e New England são comentados / This work presents studies about the inclusion of FACTS STATCOM devices using neural networks tune stability additional signal parameters (PSS’s and POD’s) on a multi-machine power system. The objective is to improve the stability to small perturbations in electric power systems. The mathematical model used for studying the lower frequency electromechanical oscillations is the Power Sensitivity Model (PSM), modified to allow the inclusion of the STATCOM device. This model is based on the principle that the active and reactive power balance must be continuously satisfied in every bus of the system during the dynamical process. Mathematical models were developed to include the PSS’s and POD’s on the electrical system, as well as the local to install these control devices and the classical techniques to adjust these parameters. Afterwards, the neural networks were used to adjust the parameters of the controllers. The neural network used is a Perceptron Multi Layer, with the training by backpropagation. Simulations were effectuated for the South Brazilian Power System, the Two Areas Symmetrical Power System and the New England Power System

Orientador: Percival Bueno de Araujo / Banca: Carlos Roberto Minussi / Banca: Laurence Duarte Colvara / Banca: Roberto Apolonio / Banca: Vivaldo Fernando da Costa / Resumo: Este trabalho apresenta estudos referentes à inclusão do dispositivo FACTS STATCOM e a utilização de Redes Neurais Artificiais para o ajuste dos parâmetros de sinais adicionais estabilizantes (PSS's e POD's) no sistema de potência multimáquinas. O objetivo é a melhoria da estabilidade frente às pequenas perturbações do sistema de energia elétrica. O modelo matemático utilizado para o estudo das oscilações eletromecânicas de baixa freqüência em sistemas de energia elétrica foi o Modelo de Sensibilidade de Potência (MSP), modificado para permitir a inclusão do dispositivo STATCOM. Este modelo baseia-se no princípio de que o balanço de potência ativa e reativa deve ser satisfeito continuamente em qualquer barra do sistema durante um processo dinâmico. Prosseguindo na realização do trabalho foram desenvolvidos os modelos matemáticos para a inclusão dos PSS's e POD's no sistema elétrico, bem como foi realizada uma discussão a respeito da escolha do local de instalação destes controladores e técnicas clássicas para o ajuste de seus parâmetros. A partir disto foram utilizadas redes neurais artificiais (RNA's) com o objetivo de ajustar os parâmetros dos controladores. A rede utilizada para este fim foi a do tipo Perceptron Multicamadas, sendo utilizado para o seu treinamento o algoritmo Backpropagation. Simulações foram realizadas e os resultados obtidos para os sistemas testes Sul Brasileiro, Simétrico de Duas Áreas e New England são comentados / Abstract: This work presents studies about the inclusion of FACTS STATCOM devices using neural networks tune stability additional signal parameters (PSS's and POD's) on a multi-machine power system. The objective is to improve the stability to small perturbations in electric power systems. The mathematical model used for studying the lower frequency electromechanical oscillations is the Power Sensitivity Model (PSM), modified to allow the inclusion of the STATCOM device. This model is based on the principle that the active and reactive power balance must be continuously satisfied in every bus of the system during the dynamical process. Mathematical models were developed to include the PSS's and POD's on the electrical system, as well as the local to install these control devices and the classical techniques to adjust these parameters. Afterwards, the neural networks were used to adjust the parameters of the controllers. The neural network used is a Perceptron Multi Layer, with the training by backpropagation. Simulations were effectuated for the South Brazilian Power System, the Two Areas Symmetrical Power System and the New England Power System / Doutor

Orientador: Percival Bueno de Araujo / Resumo: Neste trabalho é desenvolvido o modelo matemático de sistemas elétricos de potência multimáquinas para avaliar a estabilidade a pequenas perturbações, com a atuação simultânea de diferentes dispositivos FACTS controlando o fluxo de potência. Os FACTS do tipo SSSC e STATCOM são modelados, considerando suas perdas internas, o modelo resultante é acrescentado à resolução do fluxo de potência, considerando que cada dispositivo FACTS controla uma grandeza do sistema. Utilizando da solução do fluxo, das matrizes Ybarra e Jacobiana, e também tensões e potências, estes são empregados ao Modelo de Sensibilidade de Potência, por meio de simulações, é verificada a atuação dos elementos de controle na estabilidade a pequenas perturbações de sistemas multimáquinas. Para acréscimo de amortecimento às oscilações eletromecânicas, são aplicados controladores ESP e POD. A partir da representação de espaço de estados do modelo final, os autovalores resultantes são estudados para avaliar a estabilidade do sistema. Ao final é discutida a atuação individual e conjunta dos dispositivos FACTS na estabilidade, quando aplicados ao controle do fluxo de potência. / Abstract: In this work the mathematical model of multi-machine power electric systems is developed to evaluate the stability to small perturbations, with the simultaneous actuation of different FACTS devices controlling the power flow. The FACTS of type SSSC and STATCOM are modeled, considering their internal losses, the resulting model is added to the resolution of the power flow, considering that each FACTS device controls a quantity of the system. By the solution of the power flux, the Ybus and Jacobian matrices, as well as voltages and powers, these are used to the Power Sensitivity Model, by means of simulations, it is verified the performance of the control elements in the stability to small perturbation of multi-machine systems. For addition of damping to electromechanical oscillations, ESP and POD controllers are applied. From the state space representation of the final model, the resulting eigenvalues are studied to evaluate the stability of the system. At the end, the individual and combined performance of the FACTS devices in the stability, when applied to the control of the power flow, is discussed. / Doutor

Orientador: Percival Bueno de Araujo / Resumo: Neste trabalho, uma técnica baseada na Busca em Vizinhança Variável Básica é apresentada para realizar o ajuste coordenado dos parâmetros dos controladores suplementares de amortecimento Thyristor Controlled Series Capacitor - Power Oscillation Damping e Estabilizadores de Sistemas de Potência, a fim de garantir a estabilidade a pequenas perturbações de sistemas elétricos de potência. A estratégia do método de ajuste proposto consiste em explorar sistematicamente estruturas de vizinhança atrelada a uma etapa de busca local, tornando possível a obtenção de soluções ótimas e a manutenção da capacidade de evitar a estagnação em um ótimo local. Um modelo do TCSC por injeção de corrente é apresentado e seus coeficientes de sensibilidade de corrente são deduzidos para incorporação ao Modelo de Sensibilidade de Corrente, que é utilizado para representar o sistema elétrico de potência. Com a inclusão da modelagem dos controladores de amortecimento, simulações são realizadas em dois sistemas testes, conhecidos como sistema Simétrico de Duas Áreas e sistema New England. Os resultados obtidos são analisados para melhor compreensão do comportamento do sistema elétrico de potência quando submetido a uma pequena perturbação e da influência dos controladores de amortecimento neste cenário. Os parâmetros dos controladores são ajustados pelo algoritmo Particle Swarm Optimization, por um Algoritmo Genético e, também, pelo método proposto neste trabalho. Os desempenhos individuais dos métodos d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work, a technique based on Basic Variable Neighborhood Search is presented to perform the coordinated tuning of the parameters of the supplementary damping controllers Thyristor Controlled Series Capacitor - Power Oscillation Damping and Power System Stabilizers in order to guarantee the small-signal stability of the electric power systems. The strategy of the proposed tuning method consists in systematically exploring neighborhood structures followed by a local search stage, making it possible to obtain optimal solutions and to maintain the ability to avoid stagnation in a local optimum. A current injection model for the TCSC is presented and its current sensitivity coefficients are deduced for incorporation into the Current Sensitivity Model, which is used to represent the electric power system. With the inclusion of the damping controllers modeling, simulations are performed on two test systems, known as the Two-Area Symmetric system and New England system. The results obtained are analyzed to better understand the behavior of the electric power system when subjected to a small disturbance and the influence of the damping controllers in this scenario. The controllers parameters are tuned by the Particle Swarm Optimization algorithm, by a Genetic Algorithm and also by the method proposed in this work. The individual performances of the tuning methods are compared in order to conclude on the technique best suited for this type of problem, including the analysis of a ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-01-25Bitstream added on 2014-06-13T20:09:50Z : No. of bitstreams: 1 furini_ma_me_ilha.pdf: 1020610 bytes, checksum: d3a4a2f6ec4cb8559c7d3d6b770ec955 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / O objetivo desta Dissertação de Mestrado é apresentar a possibilidade de fornecer amortecimento às oscilações de baixa freqüência do sistema elétrico de potência através dos dispositivos FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) e UPFC (Unified Power Flow Controller). Para isso realiza-se o desenvolvimento e implementação do Modelo de Sensibilidade de Potência para sistemas multmáquinas. Na seqüência são introduzidos os dispositivos TCSC e UPFC, bem como os seus controladores. Apresentam-se resultados de acordo com a evolução dos modelos que representam os dispositivos FACTS, ou seja, parte-se de uma compensação fixa, passando para um modelo dinâmico de primeira ordem e por fim, é incluído o controlador POD (Power Oscillation Damping). A utilização de sinais locais e remotos para entrada do controlador POD também é analisada. Além disso são mostrados os resultados obtidos pela técnica clássica de introdução de amortecimento através de sinais suplementares (os estabilizadores de sistemas de potência – PSS: Power System Stabilizers). O projeto dos controladores POD e PSS é baseado no método da compensação de fase, utilizando a teoria de controle clássico. Fatores de participação, autovetores, autovalores e resíduos de funções de transferência são utilizados como índices para examinar a melhor alocação dos controladores POD e PSS no sistema elétrico de potência. / The objective of this work is to present the possibility to provide damping to low frequencies oscillations of the electrical power systems by FACTS devices (Flexible Alternating Current Transmission System): TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) and UPFC (Unified Power Flow Controller). This is developed and implemented using the Power Sensitivity Model for multimachine systems. Afterwards, the TCSC and UPFC devices are introduced as well as the controllers. Results are presented according to the evolution of the models that represent the FACTS devices, i.e., it starts with a fixed compensation, passing through a first order dynamic model and finally, it is included a POD controller (Power Oscillation Damping). It is also analyzed the inclusion of local and remote signals for the input of the POD controller. Besides, results obtained by classical techniques of introducing damping by supplementary signals (Power Systems Stabilizer – PSS) are shown. The project of POD and PSS controllers are based on the Phase Compensation Method using the classical control theory. Participation Factor like eigenvalues, eigenvectors and transfer function residues are used as index to examine the best allocation of the POD and PSS controllers on the electrical power systems.

Orientador: Percival Bueno de Araujo / Banca: Anna Diva Plasencia Lotufo / Banca: Igor Kopcak / Resumo: Este trabalho apresenta estudos referentes à modelagem do dispositivo FACTS STATCOM para posterior inclusão nas equações do Modelo de Sensibilidade de Potência multimáquinas. O objetivo final da modelagem é o estudo da estabilidade a pequenas perturbações de sistemas elétricos de potência. São considerados dois modelos para o dispositivo: um primeiro modelo permite apenas a compensação de potência reativa, enquanto que num segundo modelo é possível a compensação tanto de potência ativa como de potência reativa. Também são sugeridos controladores para o dispositivo FACTS STATCOM e, neste trabalho, estes controladores são descritos por blocos de primeira ordem. Com o equacionamento do sistema elétrico realizado, seu modelo é implementado computacionalmente para se efetuar simulações para se avaliar a estabilidade a pequenas perturbações. As simulações estão baseadas na análise no domínio do tempo e no domínio da frequência, utilizando os dois modelos desenvolvidos para o STATCOM. A partir dos resultados obtidos pelas simulações, análises são realizadas, e discutidos os principais aspectos referentes à estabilidade a pequenas perturbações de sistemas elétricos de potência / Abstract: This work presents studies referred to the modeling of the FACTS STATCOM device to include in multi-machine Power Sensitivity Model equations. The aim is to study electrical system stability under small perturbations. Two models are considered for the device: the first one allows only the reactive power compensation, while the other one allows the reactive or active compensation. Controllers for the FACTS STATCOM device are also suggested, and in this work they are described by first order blocks. As the electrical system equations are finalized, the model is computationally implemented to effectuate simulations and evaluate the stability under small perturbations. The simulations are based on the time and frequency domain using the two models developed for the FACTS STATCOM device. Considering the results obtained by the simulations the analysis are realized and discussed the principal aspects referred to the electrical Power system stability under small perturbations / Mestre