Com o advento da geração distribuída foi permitido aos sistemas de distribuição a possibilidade de operação de forma ilhada dos sistemas interligados de grande porte. Apesar de suas vantagens, do ponto de vista técnico, ainda existe uma série de desafios que necessitam ser superados para a plena aplicação desse conceito. Um desses desafios é definido pela transição dos modos operativos dos geradores distribuídos durante o processo de ilhamento. Da forma em que é reportada na literatura, infere-se que tal transição é realizada de um modo inadequado, amplificando os transitórios observados nas grandezas do gerador distribuído - e por consequência, da rede em que o mesmo se conecta - durante o processo de ilhamento, o que não é desejável. No contexto apresentado, a principal contribuição desta pesquisa está em propor uma estrutura híbrida de controle a ser aplicada aos sistemas de excitação de geradores síncronos que operam em sistemas de distribuição que permitem a operação ilhada de determinadas porções de suas redes. A principal característica da estrutura proposta está em atenuar os transitórios das variáveis do gerador controlado durante o processo de ilhamento. Além disso, o arranjo da estrutura proposta estabelece um compromisso entre a potência reativa e a tensão terminal do gerador controlado, quando o mesmo opera em paralelo com os sistemas interligados de grande porte. Nessa condição, o sistema de controle mantém a potência reativa próxima da referência ajustada atendendo a uma faixa adequada de valores de tensão terminal. / With the advent of distributed generation, the possibility of autonomous operation regarding the bulk power systems was allowed to the distribution systems. Despite its advantages, from the technical point of view, there are lots of challenges that need to be overcome for the full application of this concept. One of these challenges is the transition of distributed generators operating modes during the islanding process. Based in the literature survey, it is inferred that transition is performed in a wrong way, which amplifies the transients in controlled generator quantities and consequently, of the network connected to it during the islanding process, which is undesirable. In this context, the main contribution of this research is the proposal of a hybrid control structure to be applied to the excitation systems of synchronous generators that operate in distribution systems whose islanded operation of determined portions of its grids is permitted. The main characteristic of the proposed structure is the attenuation of transients of the controlled generator quantities during the islanding process. Furthermore, the design of this structure provides a compromise between the generator reactive power and terminal voltage when it operates in parallel with the bulk power systems. That way, the control system maintains the reactive power close to the adjusted reference attending an appropriate range of terminal voltage values.

A produção de energia elétrica por fontes de geração distribuída (GD) vem se tornando cada vez mais presente no sistema elétrico de potência. De modo geral, os sistemas de GD conectados à rede de distribuição operam controlando potências ativa e reativa, enquanto que no modo isolado, a frequência e a tensão. Sendo assim, após a ocorrência de um ilhamento deve haver alteração no modo de operação da GD para garantir a estabilidade da frequência e da tensão no subsistema ilhado. Ainda, se o modo de operação não for alterado após o ilhamento, os dispositivos de proteção podem atuar desligando a GD. Portanto, o tempo decorrido até a alteração do modo de operação desempenha um papel importante na indicação se a GD permanecerá ou não em funcionamento após a ocorrência do ilhamento. Neste trabalho, são determinados os tempos máximos para chaveamento dos modos de operação de um grupo motor gerador diesel (GMG) operando como GD, utilizando controladores clássicos (CCs) e controladores fuzzy (CFs). Foram analisadas as influências do desbalanço entre as potências geradas e consumidas, do tipo de carga conectada ao subsistema ilhado e do comprimento do alimentador nos tempos máximos. Para evidenciar possíveis vantagens da estratégia de controle não linear, é utilizada uma metodologia na qual o ajuste dos ganhos dos CFs é realizado a partir dos ajustes de referência dos CCs. Devido ao ganho variável que a estratégia não linear adiciona às ações de controle, a utilização de CFs nas malhas do GMG permitiu maiores tempos de chaveamento para determinadas faixas de operação, quando comparado com a utilização de CCs. / Distributed generation (DG) is becoming more present in the electrical power system. In general, when a DG is connected to the grid, the DG works with the active and reactive power control loops. Therefore, after an islanding occurrence, the DG must change the operation control mode from power control to voltage and frequency control to maintain the system stability. If the operation mode is not changed after islanding, the protective devices are sensitized and the DG is disconnected. Therefore, the time elapsed until the operation mode changes has an important role in the indication if the DG remains in operation or not after islanding. In this work, the maximum times for switching the operating control mode of a diesel generator set, working as a DG, are analysed using a classical control strategy (CC) and a fuzzy control strategy (FC). The influence of the power imbalance, load types and the feeder distance on the maximum available time to switch the operation control mode is investigated. To highlight the advantages of a nonlinear control strategy, is used a methodology in which the tuning of the FCs gains is performed from the CCs which are used as reference. Due to the variable gain added by the nonlinear strategy, the FC allowed higher switching times than the CC.

A inserção de geradores distribuídos nas redes de distribuição de energia elétrica está aumentando consideravelmente devido à possibilidade de maior proximidade destes geradores com os mercados consumidores, fatores ambientais, aprimoramentos das tecnologias atuais de geração de energia elétrica e desenvolvimentos de outras novas, alterações de legislações e incentivos governamentais. Este novo cenário traz também a necessidade de maior atenção devido à possibilidade de ocorrência de ilhamentos não intencionais. Nestas situações, o gerador distribuído deve ser desconectado imediatamente após a detecção do evento. Métodos tradicionais, como relés de tensão e de frequência, mostram bom desempenho quando há um elevado desbalanço entre as potências geradas e as potências das cargas ilhadas. Nos casos de pequenos desbalanços de potência, o ilhamento pode não ser detectado por esses métodos. Neste contexto, este trabalho visa desenvolver um sistema de detecção de ilhamentos em sistemas de distribuição por meio da utilização de uma rede neural artificial do tipo Perceptron multicamadas. Utilizando-se uma rede neural devidamente treinada para o sistema elétrico estudado, obteve-se um bom desempenho na detecção de ilhamento, obtendo-se elevadas taxas de acerto. Além disso, o método proposto foi capaz de diferenciar corretamente situações normais de operação do sistema, tais como chaveamento de blocos de cargas, das situações de ilhamento. Os mesmos cenários foram testados utilizando as proteções convencionais de tensão, frequência e de taxa de variação de frequência, a fim de obter a comparação com o método proposto. Como resultado, o método baseado na rede neural apresentou desempenho superior aos demais sistemas de proteção, detectando o ilhamento dentro da faixa de 2 segundos em todos os casos simulados neste trabalho. / The penetration of distributed generators into the power distribution systems has been increasing significantly due to the possibility of generating power next to the consumers, environmental issues, improvement and development of the generation technologies, regulatory changes and governmental incentives. This new scenario requires special attention to the possibility of unintentional islanding. In this situation, the distributed generator must be disconnected immediately after an islanding occurrence. Traditional anti-islanding protection schemes, such as voltage and frequency-based relays, are effective to detect islanding if there is a big power imbalance between generation and load inside the island. On the other hand, they may fail if the power imbalance is small. In this context, this work presents a new islanding detection method based on a Perceptron Multi-layer neural network. By using a neural network properly trained for the distribution system under study, the method has presented good performance with high islanding detection successful rates. Moreover, the proposed method was capable of distinguish the islanding occurrence from normal transient operating conditions, such as load switching. The same operating scenarios were used to test voltage, frequency and rate of change of frequency protection in order to perform a comparison with the proposed method. As result, the method presented superior performance detecting the islanding faster than 2 seconds in all the cases simulated in this work.

Com o advento da geração distribuída foi permitido aos sistemas de distribuição a possibilidade de operação de forma ilhada dos sistemas interligados de grande porte. Apesar de suas vantagens, do ponto de vista técnico, ainda existe uma série de desafios que necessitam ser superados para a plena aplicação desse conceito. Um desses desafios é definido pela transição dos modos operativos dos geradores distribuídos durante o processo de ilhamento. Da forma em que é reportada na literatura, infere-se que tal transição é realizada de um modo inadequado, amplificando os transitórios observados nas grandezas do gerador distribuído - e por consequência, da rede em que o mesmo se conecta - durante o processo de ilhamento, o que não é desejável. No contexto apresentado, a principal contribuição desta pesquisa está em propor uma estrutura híbrida de controle a ser aplicada aos sistemas de excitação de geradores síncronos que operam em sistemas de distribuição que permitem a operação ilhada de determinadas porções de suas redes. A principal característica da estrutura proposta está em atenuar os transitórios das variáveis do gerador controlado durante o processo de ilhamento. Além disso, o arranjo da estrutura proposta estabelece um compromisso entre a potência reativa e a tensão terminal do gerador controlado, quando o mesmo opera em paralelo com os sistemas interligados de grande porte. Nessa condição, o sistema de controle mantém a potência reativa próxima da referência ajustada atendendo a uma faixa adequada de valores de tensão terminal. / With the advent of distributed generation, the possibility of autonomous operation regarding the bulk power systems was allowed to the distribution systems. Despite its advantages, from the technical point of view, there are lots of challenges that need to be overcome for the full application of this concept. One of these challenges is the transition of distributed generators operating modes during the islanding process. Based in the literature survey, it is inferred that transition is performed in a wrong way, which amplifies the transients in controlled generator quantities and consequently, of the network connected to it during the islanding process, which is undesirable. In this context, the main contribution of this research is the proposal of a hybrid control structure to be applied to the excitation systems of synchronous generators that operate in distribution systems whose islanded operation of determined portions of its grids is permitted. The main characteristic of the proposed structure is the attenuation of transients of the controlled generator quantities during the islanding process. Furthermore, the design of this structure provides a compromise between the generator reactive power and terminal voltage when it operates in parallel with the bulk power systems. That way, the control system maintains the reactive power close to the adjusted reference attending an appropriate range of terminal voltage values.

The simplified models of synchronous generators, widely used in stability studies of large electric power systems, are not completely suitable for the stability analysis and the design of controllers of distributed synchronous generators, generally connected to typically unbalanced branches. To more accurately analyze the systems with distributed generation, it is necessary to utilize synchronous generator models that consider frequency variation in their electrical equations. Furthermore, this model must represent possible unbalanced three-phase voltages at the generator terminals as well. Nonetheless, to provide reliable responses, the parameters of this more detailed model should be known. Thus, this work assesses the influence of the parameters on the responses of a detailed synchronous generator model, suitable to depict unbalanced operating conditions, and proposes an approach for the estimation of its most important parameters. In the proposed structure, we first employ Trajectory Sensitivity Functions to evaluate the dependency of the responses of this model with respect to its parameters and, from that, we rank them according to their importance. Subsequently, we apply an estimation process that utilizes the Unscented Kalman Filter with the aid of a genetic algorithm to estimate the main parameters of this synchronous generator model under unbalanced operating conditions. To obtain the results and, therefore, assess the proposed estimation approach, we make use of a system which comprises a synchronous generator connected to a three-phase unbalanced load. In addition to the unbalanced operation of the test system, we also consider noises due to the constant load switching, typical of distribution systems. The estimations performed for three operating conditions of the generator were very satisfactory, which demonstrates the efficiency of the proposed approach to obtain adequate models for the description of synchronous generator operation under unbalanced operating conditions. / Os modelos simplificados de geradores síncronos, amplamente utilizados em estudos de estabilidade de grandes sistemas elétricos de potência, não são completamente adequados para a análise de estabilidade e projetos de controladores dos geradores síncronos distribuídos, geralmente conectados a sistemas tipicamente desequilibrados. Para que os sistemas com geração distribuída possam ser analisados mais fidedignamente, é necessária a utilização de um modelo de gerador síncrono que considere a variação de frequência em suas equações elétricas. Além disso, esse modelo também deve ser capaz de representar possíveis tensões trifásicas desequilibradas nos terminais do gerador. Entretanto, para que esse modelo mais detalhado possa fornecer respostas coerentes com a realidade, deve-se conhecer seus parâmetros. Dessa forma, este trabalho avalia a influência dos parâmetros nas respostas de um modelo de gerador síncrono mais detalhado, adequado para representar operações desbalanceadas, e propõe uma abordagem para a estimação de seus parâmetros mais importantes. Nessa estrutura, inicialmente empregam-se as Funções de Sensibilidade de Trajetória para avaliar a dependência das respostas desse modelo em relação aos seus parâmetros e, a partir disso, ordená-los conforme sua importância. Em seguida, aplica-se um processo de estimação que utiliza o Filtro de Kalman Unscented com o auxílio de um algoritmo genético para estimar os principais parâmetros desse modelo de gerador síncrono em condições de desbalanço. Para a obtenção dos resultados e consequente avaliação da abordagem de estimação proposta, utiliza-se um sistema composto por um gerador síncrono conectado a uma carga trifásica desbalanceada. Além da operação desbalanceada desse sistema teste, também são considerados ruídos devidos ao constante chaveamento de cargas, típicos de sistemas de distribuição. As estimações realizadas para três condições de operação do gerador foram bem satisfatórias, indicando a eficiência da abordagem proposta na obtenção de modelos adequados para descrever a operação de geradores síncronos em condições de desbalanço.

A inserção de geradores distribuídos nas redes de distribuição de energia elétrica está aumentando consideravelmente devido à possibilidade de maior proximidade destes geradores com os mercados consumidores, fatores ambientais, aprimoramentos das tecnologias atuais de geração de energia elétrica e desenvolvimentos de outras novas, alterações de legislações e incentivos governamentais. Este novo cenário traz também a necessidade de maior atenção devido à possibilidade de ocorrência de ilhamentos não intencionais. Nestas situações, o gerador distribuído deve ser desconectado imediatamente após a detecção do evento. Métodos tradicionais, como relés de tensão e de frequência, mostram bom desempenho quando há um elevado desbalanço entre as potências geradas e as potências das cargas ilhadas. Nos casos de pequenos desbalanços de potência, o ilhamento pode não ser detectado por esses métodos. Neste contexto, este trabalho visa desenvolver um sistema de detecção de ilhamentos em sistemas de distribuição por meio da utilização de uma rede neural artificial do tipo Perceptron multicamadas. Utilizando-se uma rede neural devidamente treinada para o sistema elétrico estudado, obteve-se um bom desempenho na detecção de ilhamento, obtendo-se elevadas taxas de acerto. Além disso, o método proposto foi capaz de diferenciar corretamente situações normais de operação do sistema, tais como chaveamento de blocos de cargas, das situações de ilhamento. Os mesmos cenários foram testados utilizando as proteções convencionais de tensão, frequência e de taxa de variação de frequência, a fim de obter a comparação com o método proposto. Como resultado, o método baseado na rede neural apresentou desempenho superior aos demais sistemas de proteção, detectando o ilhamento dentro da faixa de 2 segundos em todos os casos simulados neste trabalho. / The penetration of distributed generators into the power distribution systems has been increasing significantly due to the possibility of generating power next to the consumers, environmental issues, improvement and development of the generation technologies, regulatory changes and governmental incentives. This new scenario requires special attention to the possibility of unintentional islanding. In this situation, the distributed generator must be disconnected immediately after an islanding occurrence. Traditional anti-islanding protection schemes, such as voltage and frequency-based relays, are effective to detect islanding if there is a big power imbalance between generation and load inside the island. On the other hand, they may fail if the power imbalance is small. In this context, this work presents a new islanding detection method based on a Perceptron Multi-layer neural network. By using a neural network properly trained for the distribution system under study, the method has presented good performance with high islanding detection successful rates. Moreover, the proposed method was capable of distinguish the islanding occurrence from normal transient operating conditions, such as load switching. The same operating scenarios were used to test voltage, frequency and rate of change of frequency protection in order to perform a comparison with the proposed method. As result, the method presented superior performance detecting the islanding faster than 2 seconds in all the cases simulated in this work.

The simplified models of synchronous generators, widely used in stability studies of large electric power systems, are not completely suitable for the stability analysis and the design of controllers of distributed synchronous generators, generally connected to typically unbalanced branches. To more accurately analyze the systems with distributed generation, it is necessary to utilize synchronous generator models that consider frequency variation in their electrical equations. Furthermore, this model must represent possible unbalanced three-phase voltages at the generator terminals as well. Nonetheless, to provide reliable responses, the parameters of this more detailed model should be known. Thus, this work assesses the influence of the parameters on the responses of a detailed synchronous generator model, suitable to depict unbalanced operating conditions, and proposes an approach for the estimation of its most important parameters. In the proposed structure, we first employ Trajectory Sensitivity Functions to evaluate the dependency of the responses of this model with respect to its parameters and, from that, we rank them according to their importance. Subsequently, we apply an estimation process that utilizes the Unscented Kalman Filter with the aid of a genetic algorithm to estimate the main parameters of this synchronous generator model under unbalanced operating conditions. To obtain the results and, therefore, assess the proposed estimation approach, we make use of a system which comprises a synchronous generator connected to a three-phase unbalanced load. In addition to the unbalanced operation of the test system, we also consider noises due to the constant load switching, typical of distribution systems. The estimations performed for three operating conditions of the generator were very satisfactory, which demonstrates the efficiency of the proposed approach to obtain adequate models for the description of synchronous generator operation under unbalanced operating conditions. / Os modelos simplificados de geradores síncronos, amplamente utilizados em estudos de estabilidade de grandes sistemas elétricos de potência, não são completamente adequados para a análise de estabilidade e projetos de controladores dos geradores síncronos distribuídos, geralmente conectados a sistemas tipicamente desequilibrados. Para que os sistemas com geração distribuída possam ser analisados mais fidedignamente, é necessária a utilização de um modelo de gerador síncrono que considere a variação de frequência em suas equações elétricas. Além disso, esse modelo também deve ser capaz de representar possíveis tensões trifásicas desequilibradas nos terminais do gerador. Entretanto, para que esse modelo mais detalhado possa fornecer respostas coerentes com a realidade, deve-se conhecer seus parâmetros. Dessa forma, este trabalho avalia a influência dos parâmetros nas respostas de um modelo de gerador síncrono mais detalhado, adequado para representar operações desbalanceadas, e propõe uma abordagem para a estimação de seus parâmetros mais importantes. Nessa estrutura, inicialmente empregam-se as Funções de Sensibilidade de Trajetória para avaliar a dependência das respostas desse modelo em relação aos seus parâmetros e, a partir disso, ordená-los conforme sua importância. Em seguida, aplica-se um processo de estimação que utiliza o Filtro de Kalman Unscented com o auxílio de um algoritmo genético para estimar os principais parâmetros desse modelo de gerador síncrono em condições de desbalanço. Para a obtenção dos resultados e consequente avaliação da abordagem de estimação proposta, utiliza-se um sistema composto por um gerador síncrono conectado a uma carga trifásica desbalanceada. Além da operação desbalanceada desse sistema teste, também são considerados ruídos devidos ao constante chaveamento de cargas, típicos de sistemas de distribuição. As estimações realizadas para três condições de operação do gerador foram bem satisfatórias, indicando a eficiência da abordagem proposta na obtenção de modelos adequados para descrever a operação de geradores síncronos em condições de desbalanço.

<p>This thesis studies the electric aspects of a linear synchronous permanent magnet generator. The generator is designed for use in a wave energy converter, which determines the fundamental requirements of the generator. The electromagnetic properties of the generator are investigated with a finite element based simulation tool. These simulations formed the base of the design and construction of a laboratory prototype. Several experiments where conducted on the prototype generator. The results verify at large the simulation tool. However, a difference between the measured and simulated air gap flux was discovered. This was attributed to the longitudinal ends of the generator, which are ignored in the simulation tool. Experiences from the construction, and further finite element studies, led to a significant change in the support structure of the first offshore prototype generator. A complete wave energy converter was constructed and launched, the 13th of March, on the west coast of Sweden. A study of the load resistance impact on the power absorption has been carried out. An optimal load interval, with regard to power absorption, has been identified. Furthermore, the generator has proofed to withstand short term overload several times larger than the nominal load. Finally, the longitudinal ends’ influence on the flux distribution was investigated with an analytical model, as well as finite element simulations. A possible problem with large induction of eddy currents in the actuator back steel was identified.</p><p>This work is a part of a larger project, which aims do develop a viable wave energy conversion system.</p>

The focus of this thesis is research on the performance of very low speed direct drive permanent magnet generators for energy conversion from marine and tidal currents. Various aspects involved in the design of these generators and their electromagnetic modelling using the finite element simulations are presented. For a detailed study, a 5 kW prototype generator has been designed and constructed based on finite element based simulations. Several experiments were conducted on the prototype generator. The experimental results were compared with the corresponding case simulations on the designed generator. The differences between the results predicted by the simulations and those predicted by the measurements were less than 10%. The part and overload performance of the generator has been investigated and it is found from both simulations and measurements that the generator is capable to efficiently operate at varying speeds. The tests on the experimental generator were made for speeds between 2 and 16 rpm and for load variations of 0.5 to 2 per unit. In this thesis it is shown that it is possible to design a very low speed direct drive generator for more or less any given marine current site and this is beneficial for projects aiming to develop a technical and economical viable marine current energy conversion system.

This thesis studies the electric aspects of a linear synchronous permanent magnet generator. The generator is designed for use in a wave energy converter, which determines the fundamental requirements of the generator. The electromagnetic properties of the generator are investigated with a finite element based simulation tool. These simulations formed the base of the design and construction of a laboratory prototype. Several experiments where conducted on the prototype generator. The results verify at large the simulation tool. However, a difference between the measured and simulated air gap flux was discovered. This was attributed to the longitudinal ends of the generator, which are ignored in the simulation tool. Experiences from the construction, and further finite element studies, led to a significant change in the support structure of the first offshore prototype generator. A complete wave energy converter was constructed and launched, the 13th of March, on the west coast of Sweden. A study of the load resistance impact on the power absorption has been carried out. An optimal load interval, with regard to power absorption, has been identified. Furthermore, the generator has proofed to withstand short term overload several times larger than the nominal load. Finally, the longitudinal ends’ influence on the flux distribution was investigated with an analytical model, as well as finite element simulations. A possible problem with large induction of eddy currents in the actuator back steel was identified. This work is a part of a larger project, which aims do develop a viable wave energy conversion system.