Orientador: Percival Bueno de Araujo / Banca: Francisco Villarreal Alvarado / Banca: Élcio Precioso de Paiva / Resumo: Este trabalho apresenta estudos referentes à estabilidade a pequenas perturbações do sistema elétrico de potência, considerando a atuação de FACTS para o amortecimento das oscilações eletromecânicas de baixa freqüência. É abordado o dispositivo FACTS SSSC (Static Synchronous Series Compensator). Para este fim o sistema elétrico é modelado, modificando-se o Modelo de Sensibilidade de Potência para se inserir o compensador. Para melhorar a estabilidade do sistema desenvolvido, controladores são propostos para maximizar o desempenho do dispositivo SSSC, e dessa forma introduzir amortecimento ao sistema elétrico. Acrescenta-se ao modelo desenvolvido os Estabilizadores de Sistemas de Potência (ESP ou PSS - Power System Stabilizers) e o Power Oscillation Damping (POD), para atuação conjunta com o SSSC. Utilizando os fatores de participação e teoria de resíduos é possível encontrar a melhor localização para instalação dos dispositivos e realizar o ajuste dos parâmetros dos controladores. Simulações são realizadas para dois sistemas teste; um de quatro e outro de dez geradores. A partir dos resultados obtidos conclui-se pela potencialidade da utilização do SSSC para a melhoria da estabilidade a pequenas perturbações do sistema elétrico de potência. / Abstract: This work presents studies to provide damping to low frequencies oscillations of the electrical power systems by FACTS devices, considering SSSC (Static Synchronous Series Compensator). This is developed and implemented using the Power Sensitivity Model for multimachine systems. Afterwards, the SSSC devices are introduced as well as the controllers. The PSS (Power Systems Stabilizers) and POD (Power Oscillation Damping) controllers has been included using the participation factor and residue number theory to examine their best allocation on the electrical power systems. The study is based on modal analysis and time domain simulations using two test systems: four and ten generators. The simulation results show the capability of this method for small signal stability improvement for the electric power systems. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-06-01Bitstream added on 2014-06-13T19:08:06Z : No. of bitstreams: 1 almada_lm_me_ilha.pdf: 552123 bytes, checksum: bb24b3e82f3436a173c7b23090715999 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / 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 / 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

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-05-28Bitstream added on 2014-06-13T20:08:35Z : No. of bitstreams: 1 pupin_ce_me_ilha.pdf: 1801957 bytes, checksum: 06dbcbacdd038bf23cf8b0bfc982dbeb (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta estudos referentes à estabilidade a pequenas perturbações do sistema elétrico de potência, considerando a atuação de FACTS para o amortecimento das oscilações eletromecânicas de baixa freqüência. É abordado o dispositivo FACTS SSSC (Static Synchronous Series Compensator). Para este fim o sistema elétrico é modelado, modificando-se o Modelo de Sensibilidade de Potência para se inserir o compensador. Para melhorar a estabilidade do sistema desenvolvido, controladores são propostos para maximizar o desempenho do dispositivo SSSC, e dessa forma introduzir amortecimento ao sistema elétrico. Acrescenta-se ao modelo desenvolvido os Estabilizadores de Sistemas de Potência (ESP ou PSS – Power System Stabilizers) e o Power Oscillation Damping (POD), para atuação conjunta com o SSSC. Utilizando os fatores de participação e teoria de resíduos é possível encontrar a melhor localização para instalação dos dispositivos e realizar o ajuste dos parâmetros dos controladores. Simulações são realizadas para dois sistemas teste; um de quatro e outro de dez geradores. A partir dos resultados obtidos conclui-se pela potencialidade da utilização do SSSC para a melhoria da estabilidade a pequenas perturbações do sistema elétrico de potência. / This work presents studies to provide damping to low frequencies oscillations of the electrical power systems by FACTS devices, considering SSSC (Static Synchronous Series Compensator). This is developed and implemented using the Power Sensitivity Model for multimachine systems. Afterwards, the SSSC devices are introduced as well as the controllers. The PSS (Power Systems Stabilizers) and POD (Power Oscillation Damping) controllers has been included using the participation factor and residue number theory to examine their best allocation on the electrical power systems. The study is based on modal analysis and time domain simulations using two test systems: four and ten generators. The simulation results show the capability of this method for small signal stability improvement for the electric power systems.

With development of renewable energies worldwide, power system is seeing higher penetration of Utility-scale photovoltaic (PV) farms at distributed level as well as transmission level. Power electronics converters present negative incremental impedance characteristics at their input while under regulated output control, which brings in the possibility of system instability. Recent evidence suggests that large-scale penetration of PV inverters increases the probability of instability. While IEEE standard 1547 newest version requires PV inverters to have reactive power control, there have been few investigations into the small-signal stability impact of PV inverters on distribution systems especially with reactive power control. In addition, the existing studies either use the conventional way of state space equations and eigenvalues or use time-domain simulation methodology, which are based on the assumptions that detailed models of the grid and the PV inverters are accessible. Different from the previous literatures, this research employs Generalized Nyquist Criterion (GNC) method based on measured impedances in d-q frames at connection interfaces. GNC method has the advantage that interconnection stability can be judged without knowing the grid and PV generator model details. This work first demonstrates the advantage of volt-var droop mode control among all different local reactive power control modes for PV inverters in the aspects of static impact on grid voltage profiles and power loss in a 12kV test-bed distribution system. Then it is discovered that d-q frame impedance of PV inverter under volt-var droop mode control shows a significant difference from other reactive power control modes. The d-q frame impedance derived from the small-signal model of PV generator is validated by both MATLAB simulation results and hardware experiments. Based on the d-q frame impedances, GNC is utilized to analyze the stability connection of a single PV farm and multiple PVs into the grid. GNC stability assessment results match with time-domain simulations and reveal the stability problem related to volt-var droop mode control. Furthermore, considering the unbalance of the distribution system, a new impedance model in d-q frame is proposed to capture both the dynamics of PV inverter operating in unbalanced points and the dynamics of three-phase unbalanced grid. The new impedance model is a combination of positive-negative sequence impedance and conventional d-q frame impedance. A procedure is designed for the measurement of the extended d-q frame impedance and the GNC application to predict small-signal stability of the unbalanced grid, which are justified by both time domain simulation and hardware experiments. / Doctor of Philosophy / To overcome the limited fossil fuel reserve on the earth and global warming, renewable energies become more and more popular worldwide. Centralized thermal power generators in the transmission system are gradually being replaced by distributed energy resources (DER) which are connection to the distribution system, bringing more challenges to the safe and stable operation of the power system. This work focuses on the small-signal stability impact of photovoltaic (PV) generators in the distribution system, which basically analyzes into whether the connection of PV generator to the distribution system will end up in an expected steady operation state with high resistance to any relatively small disturbances. The stability assessment tool is based on impedance measurement which treats both sides as black boxes and bridges the information gap between Utility operators and PV generator vendors. A major finding of this work is that while PV generators in the distribution system help to provide grid-support functions of voltage regulation, they may cause voltage small-signal stability problems due to the high grid impedance, which is worse if more PV inverters are put in parallel. Even PV farms connected to different branches of the complicated radial distribution system may have interactions with each other. So the design of control strategy and parameters of PV generator should consider the impact of other PV generators. GNC method based on impedances measurement is feasible and accurate for stability assessment of a distribution system with multiple PV farms. The impedance based method is upgraded and extended to be applied for the connection of power electronics devices to the three-phase unbalanced distribution systems.

The purpose of this investigation is to identify appropriate location of capacitor banks and sources of reactive power by studying power system stability in the vicinity of system equilibrium states. The locations for reactive power sources are determined by identifying those modes of the system that participate most in the system behavior in general and in dictating the final state of the system after experiencing faults or disturbances. To identify the relevant modes of the system that participate most in the system dynamic, we shall make use of modal and participation analysis for different system conditions. We also apply modal and participation analysis to a system in order to identify the components of greatest impact that result in the most efficient system control. The ideas developed in this study are used to analyze and identify weak boundaries of the IEEE 39- Bus system that contribute to the system’s instability.

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

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-05-28Bitstream added on 2014-06-13T19:06:57Z : No. of bitstreams: 1 pina_ap_me_ilha.pdf: 797000 bytes, checksum: d243ccbbde4d3e77f76b36fd34886251 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / 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 / 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

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.

O crescimento da demanda por eletricidade tem promovido a diversificação da matriz energética em termos de fontes primárias, porte de geração e alocação dos geradores. Neste cenário, a inserção de geradores de pequeno porte nos sistemas de distribuição tem causado a descentralização da produção de energia elétrica e, no contexto nacional, o alto potencial para geração de eletricidade através de pequenas centrais hidrelétricas e usinas de cogeração tem dado destaque aos geradores síncronos distribuídos. Contudo, é necessário avaliar as implicações da presença dos geradores síncronos em sistemas de distribuição e avaliar se as metodologias já consagradas de análises, operação e normalização técnica estão adequadas. Dentre as principais peculiaridades dos sistemas de distribuição estão a proximidade dos geradores às cargas e a presença de eventos aleatórios de maior amplitude, tais como variações de carga que ocorrem natural e intermitentemente no sistema. Além disso, problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas podem agora ocorrer em níveis de distribuição e deve-se estabelecer um procedimento para identificação destes modos. Entretanto, o procedimento usual para o estudo de estabilidade a pequenas perturbações pode se tornar inviável, pois a construção do modelo completo é de extrema complexidade e os parâmetros dos elementos em níveis de distribuição são de difícil obtenção. Para reverter estes problemas citados, esta pesquisa oferece um procedimento alternativo para a obtenção dos modos de oscilação eletromecânica em sistemas de distribuição, sugerindo a estimação modal através de dados ambiente. / The electricity demand increase has promoted the energy matrix diversification in terms of primary sources, generation size and allocation of generators. In this scenario, the insertion of small sized generators in distribution systems has caused the power production decentralization and, in the national context, a high potential for generating electricity through small hydroelectric power plants and cogeneration plants has drawn attention to distributed synchronous generators. However, it is necessary to assess the implications of synchronous generators presence in distribution systems and evaluate if the current methodologies of analysis, operation and technical standards are appropriate to this context. Among the main distribution systems particularities, there are the proximity of generators to loads and more significant random perturbations conceptualized as load switching. In addition, problems related to lightly damped modes can occur in distribution and there is a need to establish a procedure for modal identification. However, the usual procedure for the small-signal stability analysis is not adequate to this problem, because the model construction is very complex and the parameters in distribution are very difficult to obtain. To face the challenges, this research provides an alternative procedure for obtaining electromechanical modes in distribution systems, suggesting modal estimation techniques that use measured ambient data.

O crescimento da demanda por eletricidade tem promovido a diversificação da matriz energética em termos de fontes primárias, porte de geração e alocação dos geradores. Neste cenário, a inserção de geradores de pequeno porte nos sistemas de distribuição tem causado a descentralização da produção de energia elétrica e, no contexto nacional, o alto potencial para geração de eletricidade através de pequenas centrais hidrelétricas e usinas de cogeração tem dado destaque aos geradores síncronos distribuídos. Contudo, é necessário avaliar as implicações da presença dos geradores síncronos em sistemas de distribuição e avaliar se as metodologias já consagradas de análises, operação e normalização técnica estão adequadas. Dentre as principais peculiaridades dos sistemas de distribuição estão a proximidade dos geradores às cargas e a presença de eventos aleatórios de maior amplitude, tais como variações de carga que ocorrem natural e intermitentemente no sistema. Além disso, problemas relacionados a oscilações eletromecânica mal amortecidas podem agora ocorrer em níveis de distribuição e deve-se estabelecer um procedimento para identificação destes modos. Entretanto, o procedimento usual para o estudo de estabilidade a pequenas perturbações pode se tornar inviável, pois a construção do modelo completo é de extrema complexidade e os parâmetros dos elementos em níveis de distribuição são de difícil obtenção. Para reverter estes problemas citados, esta pesquisa oferece um procedimento alternativo para a obtenção dos modos de oscilação eletromecânica em sistemas de distribuição, sugerindo a estimação modal através de dados ambiente. / The electricity demand increase has promoted the energy matrix diversification in terms of primary sources, generation size and allocation of generators. In this scenario, the insertion of small sized generators in distribution systems has caused the power production decentralization and, in the national context, a high potential for generating electricity through small hydroelectric power plants and cogeneration plants has drawn attention to distributed synchronous generators. However, it is necessary to assess the implications of synchronous generators presence in distribution systems and evaluate if the current methodologies of analysis, operation and technical standards are appropriate to this context. Among the main distribution systems particularities, there are the proximity of generators to loads and more significant random perturbations conceptualized as load switching. In addition, problems related to lightly damped modes can occur in distribution and there is a need to establish a procedure for modal identification. However, the usual procedure for the small-signal stability analysis is not adequate to this problem, because the model construction is very complex and the parameters in distribution are very difficult to obtain. To face the challenges, this research provides an alternative procedure for obtaining electromechanical modes in distribution systems, suggesting modal estimation techniques that use measured ambient data.