The thesis deals with the issue of measurement of frequency and its derivative (RoCoF) in simulation software. The aim of the thesis was to compare results obtained in three different pieces of software (PSS/E, PSCAD, MODES). 2 disturbances were simulated in a grid model IEEE 39 bus system and values of frequency and generator speed were assessed. The results obtained in different software are diverse. This is influenced by method of modelling of synchronous generator and algorithm of calculation of frequency. Findings are important for future investigation of power system transients in simulation software and also point to potencial incorrect assassement of frequency in protective relays.

The thesis deals with the comparison of two restoration paths in case of the black start in the MODES and PSCAD simulation programs. The aim was to compare the voltage waveforms in individual nodes and the system frequency. At the same time, simulations were compared with a real test. The route models in the MODES program were created earlier and the task was to create the same routes in the PSCAD program using the parameters available from the MODES program. The route models in the PSCAD environment included both the original and the new models of individual elements, which had to be assembled from function blocks. The results of the programs differed slightly, which was caused mainly by the differences of some elements that were used. In the thesis, all the necessary information was stated to make the simulations repeatable.

This Master´s thesis deals with the analysis of modal characteristics of the vertical synchronous generator. The goal of this work is to determine influence of individual parts of the generator on modal characteristics. Another part of this thesis contains analysis of different variants for storaging the generator and also structural modifications, which lead to the improvement of the modal properties. For modelation was used cumputional modeling in ANSYS.

The main focus of my master thesis is the assessment of effects of the bearing shields stiffness and balance quality on synchronous generator vibration. The incentive of writing the thesis is the problematic situation, which is characterized by synchronous generator vibration. The aim of my thesis is to variate shields stiffness and to find out the dependence of vibration on stiffness during nominal speed. I have used the program ANSYS based on finite element method to solve this problem.

Following the trends to diminish the fossil fuel energy production new technologies known for their renewable sources have become a signficant option for helping combat climate change and handle the current oil prices. These new technologies base their power production on already established physical principles that convert mechanical power to electrical power. Generators are the fundamental piece of machinery for electricity production. Among the various types of generators that exist, permanent magnet synchronous generators (PMSGs) are commonly used for renewable electricity production. At present, the most used magnets for PMSGs are alloys of neodymium, iron, and boron which form a tetragonal crystalline structure known as Neodymium magnets (NdFeB). These types of magnets contain rare-earth materials, which makes them highly non-sustainable materials. Research to find new magnet compositions to substitute rare earth magnets or to reduce the weight and increase the efficiency of PMSGs is currently being studied. One option is to use Alnico magnets. This thesis project explores this option. With the help of a finite element analysis (FEA) software (COMSOL Multiphysics), three types of Alnico grades 5, 8 and 9 were implemented in the rotor of a spoke type generator to study the load limits of the rotor magnets, and together with this observe the demagnetization and impact that it has on the power production of the generator, in two different scenarios: 1) When the generator is connected to a nominal load under normal conditions and 2) when the generator is connected to a nominal load after a short circuit (SC). The simulations provided an insight into the load limitations that the generator has by each type of Alnico studied. Alnico 9 showed to be the best candidate magnet from the three magnets implemented with less demagnetization and higher electrical power output, followed by Alnico 8, which presented a good electrical power output at the nominal load scenario. Regardless of the higher demagnetization of Alnico 5, it proved to be a better candidate than Alnico 8 at the SC scenario.

This work presents a new Loss-of-Excitation in synchronous generators protection scheme based on the Continuous Apparent Impedance Calculation. This methodology aiming to improve security and dependability to the ANSI 40 function in order to distinguish cases of loss of excitation from other external disturbances such as stable power swings caused by the elimination of short circuits, for instance. Traditional loss of excitation protection methods may operate incorrectly in the occurrence of this kind of disturbance. Since the proposed methodology have settings related to the reactance parameters of the protected generator (Xd e X d), tests have been carried out considering two different machines with distinct parameters of the WSCC 9-bus system. Aiming to test the proposed technique and compare it with other widely used methods Mason, Berdy and Positive Offset, three kinds of events were simulated, namely, total loss of excitation, partial loss of excitation and stable power swing, for different initial generator loading. The computer simulation results demonstrate that the proposed method correctly identifies the occurrence of loss-of-excitation and does not operate in situations of stable power swings, regardless of the parameters of generators and their operating condition. Its alarm function allows taking the underexcited machine out faster by using manual intervention, which is especially useful when the initial loading is light or when it‟s a partial loss of excitation case. Another highlight is the ease adjustment of the method, which is related only with the generator‟s reactances data. / Este trabalho apresenta um novo método de proteção contra perda de excitação de geradores síncronos fundamentado no Cálculo Contínuo da Impedância Aparente. Este novo conceito visa garantir segurança e disponibilidade para a função de proteção ANSI 40 através da distinção de casos de perda de excitação e outros distúrbios externos ao gerador, tais quais as oscilações estáveis de potência ocorridas após a eliminação de curto-circuitos. As técnicas tradicionais de proteção contra perda de excitação podem apresentar operações indevidas quando da ocorrência de tais distúrbios. Considerando que a metodologia desenvolvida possui ajustes em função dos parâmetros das reatâncias do gerador protegido (Xd e X d), são feitos testes com duas máquinas de parâmetros distintos do sistema WSCC 9-barras. Visando testar a técnica proposta e compará-la com métodos amplamente utilizados Mason, Berdy e Offset Positivo, foram simulados três tipos de eventos, ou seja, perda de excitação total, perda de excitação parcial e oscilação estável de potência, para diferentes pontos operacionais do gerador. Os resultados das simulações computacionais demonstraram que o método proposto identifica corretamente a ocorrência de perda de excitação e não opera em situações de oscilação estável de potência, independentemente dos parâmetros do gerador e de sua condição de operação. A função de alarme permite desligar a máquina subexcitada mais rapidamente através de intervenção manual, o que é especialmente útil quando o carregamento inicial é baixo ou a perda de excitação é parcial. Destaca-se ainda a facilidade de ajuste do método, o qual depende apenas dos dados das reatâncias do gerador.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to evaluate the performance of the loss of field protection methods in synchronous generators. The methods are introduced to make available in a single text the various ways to protect the synchronous generator against the loss of field. The conventional methods have some problems, and the main of them is the improper operation caused by the power stable oscillations. In order to solve or minimize the relay algorithm malfunction, two new methods of loss of field protection are proposed. The first is designed to increase the operational area of the generator on steady state conditions, bounded by the conventional loss of field protection. It was accomplished by modifying the operational characteristic of the mho relay, which is better coordinated with the generator capability curve. The second makes use of loss of field conception in a fuzzy set theory. With the objective to identify the performance of each one, the methods were evaluated through computational simulations of loss of field and stable power oscillation. The methods were set and evaluated according to the generator parameters (Xd and X'd). Since, tests in three machines with different parameters were carried out. So it was possible to conclude that the methods do not behave the same way for different generators parameters. On the other hand, the proposed technique, which is based on the fuzzy set theory was more efficient and not have been affected by the generator parameters and system considered. / Este trabalho visa avaliar o desempenho dos métodos de proteção contra a perda de excitação em geradores síncronos. Os métodos são apresentados de forma a tornar disponível em um único texto as diversas maneiras de se proteger o gerador síncrono contra a perda do seu sistema de excitação. Os métodos convencionais abordados apresentam alguns problemas, sendo o principal, a operação indevida causada por oscilações estáveis de potência. Visando solucionar ou minimizar estes problemas, dois novos métodos de proteção contra a perda de excitação são propostos. O primeiro, objetivando aumentar a área operacional do gerador em regime permanente, restringida pela proteção contra a perda de excitação convencional, por meio de uma característica operacional modificada, melhor coordenada com a curva de capacidade do gerador. O segundo introduz os fundamentos clássicos da proteção contra a perda de excitação na teoria dos conjuntos nebulosos. Com o objetivo de se identificar o desempenho de cada um, os métodos existentes e os propostos foram avaliados por meio de simulações computacionais de perda de excitação e oscilação estável de potência. Como os métodos possuem ajustes em função dos parâmetros do gerador protegido (Xd e X d), realizaram-se testes com três máquinas de parâmetros distintos. Deste modo, foi possível concluir que os métodos não se comportam da mesma maneira para geradores de diferente porte. Por outro lado, a técnica proposta, que tem como base a teoria dos conjuntos nebulosos se mostrou eficiente e não teve seu desempenho afetado pelos parâmetros do gerador e do sistema considerado.

O ilhamento intencional quando desenvolvido em modo seguro pode ser considerado uma solução viável à promoção da confiabilidade das redes elétricas na presença de geradores distribuídos. Diante disso, esta tese de doutorado propõe metodologias que definem os ajustes das proteções do ponto de acoplamento comum e do gerador para viabilizar tecnicamente o ilhamento intencional, permitindo também avaliar a probabilidade de sucesso deste quando não planejado por um período de operação da rede. As metodologias propostas consideram os relés de deslocamento de fase ou \"salto de vetor\", relés de taxa de variação de frequência e os relés de sub/sobrefrequência convencionais. Estas metodologias baseiam-se na associação direta do tempo de detecção do ilhamento e do tempo de restrição. Estes tempos são oriundos da capacidade de detecção de ilhamento do relé baseado em medidas de frequência do ponto de acoplamento comum e da proteção do gerador. Os resultados foram consistentes e além de determinar a viabilidade técnica do ilhamento intencional de geradores distribuídos, permitiram avaliar a probabilidade de sucesso do ilhamento intencional. Adicionalmente, as metodologias permitiram definir quando possível os ajustes das proteções mais adequados à operação segura da ilha. / The intentional islanding when perfomed in a safe way can be considered a viable solution to the promotion of the reliability of the electrical networks in the presence of distributed generators. In this context, this doctoral thesis proposes methodologies that define the adjustments of the protections of the point of common coupling and the generator to technically enable the intentional islanding and allow to evaluate the probability of successful islanded operation. The proposed methodologies consider the vector surge or \"vector jump relays\", the rate of change of frequency and conventional under/overfrequency relays for islanding detection purposes, and the under/overfrequency relays to protect the generator. These methodologies are based on the direct association of the islanding detection time and the restriction time, and on their relation with the active power imbalance of the island. The detection and restriction times are derived from the islanding detection capability of the previous-mentioned relays, and from the generator protection, respectivelly. The results showed that the methodologies were able to identify favourable conditions for a successful islanded operation, and allowed assessing its probability of occurrence given different conditions of load and generation power imbalance. Additionally, the methodologies allowed to define, when possible, the adjustments of the most adequate protections for the isolated operation of the microgrid.

Este trabalho de mestrado está relacionado com a análise do comportamento dinâmico de turbinas eólicas equipadas com gerador síncrono com excitação a ímãs permanentes operando durante contingências na rede elétrica e com variação na velocidade do vento. Tal configuração tem muitas vantagens quando comparada com a configuração atualmente utilizada pelos principais fabricantes de turbinas eólicas de grande porte. A principal delas é devido ao fato de não utilizar caixas de engrenagens. Porém, o impacto na rede elétrica com a conexão de tal configuração deve ser minimizado melhorando as condições operativas no ponto de conexão da fazenda eólica. Desta forma, o projeto em questão visa investigar formas de diminuir os impactos negativos causados e melhorar a estabilidade do sistema, principalmente, no ponto de conexão à rede elétrica Portanto, o projeto de pesquisa deste mestrado está relacionado ao desenvolvimento de modelos computacionais que representem tal tecnologia, considerando os principais componentes e controles utilizando o software de simulação PSCAD. Também são incluídos novos métodos de controle e elementos adicionais que melhoram a confiabilidade e o nível de penetração de parques eólicos com geradores a ímãs permanentes. Ressalta-se que tais modelos não estão disponíveis de forma completa no software citado acima, portanto foram desenvolvidos partindo de modelos genéricos existentes. Todas as partes do modelo foram realizadas com elementos básicos acessíveis em qualquer programa de simulação, de modo que qualquer engenheiro ou pesquisador possa programar este mesmo modelo em qualquer software. Esta dissertação começa com uma breve descrição do modelo desenvolvido, incluindo o modelo aerodinâmico das turbinas eólicas, o controle do conversor do lado do gerador, o controle do conversor do lado da rede e o sistema de proteção do link de corrente contínua. Com o modelo desenvolvido, analisa-se a operação do gerador síncrono a imãs permanentes durante contingências na rede. A aplicação de um sistema avançado de armazenamento de energia e a possibilidade de suporte de frequência à rede elétrica também foram desenvolvidos e analisados. Considerando os resultados obtidos, podemos verificar que a conexão de parques eólicos equipados com geradores síncronos com excitação a ímãs permanentes pode trazer benefícios para a rede elétrica, quando o seu potencial de controle e de operação é utilizado. Mais detalhes podem ser verificados nos capítulos a seguir. / This master\'s project aims to study the behavior of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator, operating during contingencies and changes in wind speed. This configuration has many advantages compared with configurations currently used by leading manufacturers of large wind turbines. The main one is due to the fact of use smaller gearboxes or even gearless turbines. However, the impact on the electrical grid connection of this configuration should be minimized by improving the operating conditions at the connection point of the wind farm. Thus, this project aims to investigate ways to reduce the negative impacts and improve the system stability, especially at the grid connection point. This work employs the simulation software PSCAD for developing a computational model of this technology, considering the main components and controls. New control methods and additional features are included, for improving the reliability and the level of penetration of wind farms with permanent magnet generators in the power system. It is noteworthy that such models are not available in the simulation software PSCAD; therefore it was developed from existing generic models. All parts of the model were done with basic elements; as a result any engineer or researcher can program this same model in any software. This work begins with a brief description of the developed model, including: the aerodynamic model of the wind turbines, the control of the generator side converter, the control of the grid side converter and the protection system of the Link-DC. With this model, the operation of the permanent magnet synchronous generator was analyzed during network contingencies. The application of a sophisticated energy storage system for frequency support was also both developed and analyzed. The connection of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator has advantages when its potential for control and operation is used. More details can be checked in the following chapters.

Havendo qualquer distúrbio em um determinado sistema de distribuição de energia elétrica na presença de geradores distribuídos (GDs), é procedimento habitual exigido pelas concessionárias a desconexão destes na intenção de evitar a formação de um sistema ilhado eletricamente sustentado. Este procedimento tem como objetivo evitar maiores danos tanto ao sistema elétrico como um todo, principalmente ao próprio gerador distribuído, bem como às pessoas envolvidas na manutenção desse sistema. Entretanto, esse fato diminui consideravelmente as contribuições do conceito de geração distribuída à melhoria da qualidade dos serviços de fornecimento de energia elétrica por parte das concessionárias. Neste contexto, este trabalho possui como objetivo analisar os requisitos técnicos necessários para viabilizar a operação ilhada dos geradores distribuídos. Sabendo que a maioria das cargas presentes em um sistema de distribuição é dependente dos níveis de tensão e frequência da energia de suprimento, a análise e o monitoramento dessas grandezas antes e durante o ilhamento deverão ocorrer de forma que não se perca a estabilidade da rede ilhada. Para isto, devem ser avaliadas alterações nos métodos de operação e controle dos geradores distribuídos, de maneira a atender os requisitos técnicos necessários para manter a tensão e a frequência dentro dos parâmetros de qualidade de energia elétrica. Foram propostos quatro índices de desempenho para avaliar a qualidade da energia elétrica no sistema ilhado. Os resultados obtidos demonstram a necessidade de efetuar ações corretivas eficientes para manter o sistema elétrico ilhado operando dentro dos padrões aceitáveis de qualidade de energia elétrica. Foram investigadas soluções potenciais e viáveis para garantir a operação da ilha estável e com qualidade da energia elétrica. Além disso, observou-se que cargas dependentes da tensão podem influenciar significativamente a capacidade do GD em formar de ilhas estáveis. / If disturbances occur in a power distribution systems in the presence of distributed generators (DGs), a common practice required by utilities is to disconnect such generators, aiming at avoiding a self-sustained energized island. This procedure is required on order to prevent damage to the whole distribution system, mainly the DG, and to the utility maintenance personnel, as well. However, this requirement may decrease the possible contributions of the distributed generation concepts to the quality of the power supply. In this context, this work aims at analyzing the technical requirements related to make DGs islanded operation feasible. Since most of the loads are dependent on the supply voltage and frequency, the analysis and monitoring of such quantities before and after an islanding event should occur in such a way that the stability of the energized island is granted. To reach such a goal, changes in the DG control modes must be assessed, so that the technical requirements necessary to keep voltage and frequency within statutory limits are fulfilled. Four performance indices have been proposed to assess the power quality in the islanded system. The results have shown the need to perform efficient corrective actions to ensure reliable islanded operation. Moreover, it was observed that voltage-dependent loads may influence the DG capability to sustain stable islands.