Interconnection of electric power systems is becoming increasingly widespread as part of the power exchange between countries as well as regions within countries in many parts of the world. There are numerous examples of interconnection of remotely separated regions within one country. Such are found in the Nordic countries, Argentina, and Brazil. In cases of long distance AC transmission, as in interconnected power systems, care has to be taken for safeguarding of synchronism as well as stable system voltages, particularly in conjunction with system faults. With series compensation, bulk AC power transmission over very long distances (over 1000 km) is a reality today. These long distance power transfers cause, however, the system low-frequency oscillations to become more lightly damped. As a result, many power network operators are taking steps to add supplementary damping devices in their systems to improve the system security by damping these undesirable oscillations. With the advent of thyristor controlled series compensation, AC power system interconnections can be brought to their fullest benefit by optimizing their power transmission capability, safeguarding system stability under various operating conditions and optimizing the load sharing between parallel circuits at all times. This thesis reports the results of digital time-domain simulation studies that are carried out to investigate the effectiveness of a phase imbalanced hybrid single-phase-Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC) compensation scheme in damping power system oscillations in multi-machine power systems. This scheme which is feasible, technically sound, and has an industrial application potential, is economically attractive when compared with the full three-phase TCSC which has been used for power oscillations damping.<p> Time-domain simulations are conducted on a benchmark model using the ElectroMagnetic Transients program (EMTP-RV). The results of the investigations have demonstrated that the hybrid single-phase-TCSC compensation scheme is very effective in damping power system oscillations at different loading profiles.

Orientador: Falcondes José Mendes de Seixas / Resumo: A tese de doutorado tem como objetivo específico a proposição de um sistema de controle digital aplicado ao compensador série TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator), cujo efeito é proporcionar regulação de tensão para cargas dinâmicas presentes no sistema de distribuição de energia elétrica, como no caso de partida de motores elétricos. Os estudos teóricos contemplam a análise detalhada do estágio de potência do TCSC operando em regime permanente. Gráficos generalizados indicam o comportamento harmônico, as possibilidades de ressonância paralela, a característica de reatância fundamental e os esforços de tensão e corrente nos elementos do TCSC ideal, base para a especificação dos componentes do estágio de potência do compensador série. Os resultados para operação em regime permanente do protótipo indicam, nas condições de plena carga, nível máximo de compensação capacitiva de 125% e aumento na regulação de tensão na carga de 7,3% quando comparado às condições da linha sem compensação. A operação em malha fechada do compensador série realizada por controladores digitais do tipo proporcional-integral com saturação anti-windup e realimentações via Integradores Generalizados de Segunda Ordem Multirressonante (IGSOM), garantem robustez, boa dinâmica na resposta transitória e erro nulo em regime permanente para a regulação da reatância fundamental do TCSC. Os ensaios experimentais com partidas diretas de motores demonstram o efeito positivo do compensador série na regulação... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Submitted by LUCIANO DE SOUZA DA COSTA E SILVA null (lucianocosta_@hotmail.com) on 2017-04-22T02:39:16Z No. of bitstreams: 1 tese_final_Luciano_corrigido 20-04 final.pdf: 5962866 bytes, checksum: 2f53189a0d49ff5c29d6d23ec699b233 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-04-25T19:28:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_lsc_dr_ilha.pdf: 5962866 bytes, checksum: 2f53189a0d49ff5c29d6d23ec699b233 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-25T19:28:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silva_lsc_dr_ilha.pdf: 5962866 bytes, checksum: 2f53189a0d49ff5c29d6d23ec699b233 (MD5) Previous issue date: 2017-02-23 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A tese de doutorado tem como objetivo específico a proposição de um sistema de controle digital aplicado ao compensador série TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator), cujo efeito é proporcionar regulação de tensão para cargas dinâmicas presentes no sistema de distribuição de energia elétrica, como no caso de partida de motores elétricos. Os estudos teóricos contemplam a análise detalhada do estágio de potência do TCSC operando em regime permanente. Gráficos generalizados indicam o comportamento harmônico, as possibilidades de ressonância paralela, a característica de reatância fundamental e os esforços de tensão e corrente nos elementos do TCSC ideal, base para a especificação dos componentes do estágio de potência do compensador série. Os resultados para operação em regime permanente do protótipo indicam, nas condições de plena carga, nível máximo de compensação capacitiva de 125% e aumento na regulação de tensão na carga de 7,3% quando comparado às condições da linha sem compensação. A operação em malha fechada do compensador série realizada por controladores digitais do tipo proporcional-integral com saturação anti-windup e realimentações via Integradores Generalizados de Segunda Ordem Multirressonante (IGSOM), garantem robustez, boa dinâmica na resposta transitória e erro nulo em regime permanente para a regulação da reatância fundamental do TCSC. Os ensaios experimentais com partidas diretas de motores demonstram o efeito positivo do compensador série na regulação dinâmica e melhora dos níveis de afundamento momentâneo da tensão na carga. / The specific objective this doctoral thesis consist in the proposition of a digital control system applied to the Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC), wich the intended is to provide voltage regulation for dynamics loads present in the electric power distribution system, as in the case of the starting of induction motors. Theoretical studies contemplate the detailed analysis of the TCSC power stage operating under steady-state conditions. Generalized graphs indicate the harmonic behavior, the parallel resonance possibilities, the fundamental reactance characteristic and the stress across the voltage and current in the elements of the ideal TCSC, which are the bases for the design the components of the series compensator power stage. The results for steady-state operation of the prototype indicate under full load conditions a maximum leve of capacitive compensation of 125% and a increase in the load voltage regulation of 7.3% if compared to conditions of the line without compensation. The closed-loop operation of the series compensator, based on proportional-integral digital controllers with anti-windup saturation and feedback by Multiresonant Second-Order Generalized Integrators (MSOGI), presents robustness, good transient response dynamics and null error in steady-state to the regulation of the TCSC fundamental reactance. The experimental tests with motor direct starting demonstrate the positive effect of the series compensator in the dynamic regulation and improvement of the levels of load voltage sags. / FAPESP: 2015/15872-9

Submitted by MARCOS JOSÉ GONÇALVES null (marcosjg@ig.com.br) on 2018-05-22T03:01:06Z No. of bitstreams: 1 Tese Marcos Jose Goncalves FINAL.pdf: 1783203 bytes, checksum: d48ee12e54924878e9c6e28de57fb570 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-05-22T12:09:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 goncalves_mj_dr_ilha.pdf: 1783203 bytes, checksum: d48ee12e54924878e9c6e28de57fb570 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-22T12:09:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 goncalves_mj_dr_ilha.pdf: 1783203 bytes, checksum: d48ee12e54924878e9c6e28de57fb570 (MD5) Previous issue date: 2017-11-28 / Este trabalho apresenta um estudo sobre o controle de Sistema de Energia Elétrica (SEE) com vistas à melhoria da estabilidade transitória por meio da atuação de dispositivos FACTS, neste momento considerando os compensadores em derivação (SVC) e em série (TCSC). Propõe-se a inclusão, em dispositivos pré-existentes, a incorporação de um controle adicional visando atuação em face de transitórios eletromecânicos. A influência dos dispositivos sobre a capacidade de sincronização entre os pares de máquinas, avaliada por meio do fator de efeito é inserida na atuação dinâmica/transitória do sistema. A evolução da trajetória pós-falta do sistema é considerada em relação às fronteiras da chamada Região de Sincronização Positiva (RSP) e simulações foram realizadas usando os sistemas-teste Simétrico de duas áreas e New England para Lei de Controle proposta e conclui-se que esta é efetiva na melhoria da estabilidade transitória do Sistema de Energia Elétrica e, com aprimoramentos, poderá ser incluída em procedimentos de operação em tempo real. / The power system transient stability control is approached by means of FACTS devices, and at this first step the SVC and TCSC devices are considered. A certain device acts upon each pair of machines by means of their synchronization capability which is affected by the corresponding transfer admittance as repeated by the FACTS device. This influence is taken into account by means of a parameter named Effect Factor. The boundaries of a region surrounding the stable equilibrium point named Positive Stability Region are used as reference for critical trajectories and the control action intend to reverse the tendency of the trajectory of leaving this region. In view of the shown tested cases the results are very promising since the proposed control has conduced to improvements in fault critical clearing times and so it has potential to be included in online operation procedures.

The objective of this dissertation is to carry out dynamic modeling, analysis and control of power systems with Renewable Energy Sources (RES) such as: Photovoltaic (PV) power sources and wind farms. The dissertation work is mainly focused on microgrid since it plays a major role in modern power systems and tend to have higher renewable power penetration. Two main theoretical concepts, dynamic phasor and impedance modeling have been adopted to model and analyze the power systems/mocrogrids with RES. The initial state calculation which is essential for small signal analysis of a system is carried out as the first step of the dissertation work. Dynamic phasor and impedance modeling techniques have been utilized to model and analyze power systems/micogrids as the second phase of the work. This part consists of two main studies. First case investigates the impedance modeling of Thyristor Controller Series Capacitor (TCSC) for sub-synchronous resonance (SSR) analysis where a wind farm is connected to a power system through series compensated line. Second case utilizes the dynamic phasor concept to model a microgrid in unbalanced condition. Here the unbalance is caused by a single phase PV connected to the microgrid. Third Phase of the dissertation work includes upper level control of the microgrid. Here prediction and optimization control for a microgrid with a wind farm, a PV system, an energy storage system and loads is evaluated. The last part of the dissertation work focuses on real time modeling and hardware in loop simulation test bed for microgrid applications. This dissertation has led to four journal papers (three accepted, one submitted) and five conference papers.

O dispositivo TCSC vem sendo utilizado com grande eficiência em sistemas elétricos de potência para melhoriada estabilidade transitóriaa e para fornecer amortecimento às oscilações eletromecânicas.Diversos trabalhos vêm sendo desenvolvidos como intuito desintetizar leis de controle para estes dispositivos. A maioria das técnicas empregadas para o projeto de controle em sistemas elétricos de potência utilizam modelos linearizados. Controladores projetados com técnicas lineares podem perder eficiência quando este ponto de operação varia de forma significativa. Controladores não lineares podem oferecer maior robustez a estas variações. Dentre várias técnicas de projeto de controle não linear, os métodos baseado sem funções de Lyapunov e/ou funções energia têm sido amplamente utilizados em sistemas elétricos de potência. Estas técnicas requerem a existência de uma função de Lyapunov e/ou função energia para o projeto, entretanto, mostrou-se que não existem funções de Lyapunov e/ou funções energia gerais para modelos de sistemas elétricos mais complexos que consideram, por exemplo, as perdas do sistema.Funções energia generalizadas (FEG) surgiram como uma alternativa para lidar com estas classes de modelos que apresentam comportamento complexo. Apresentamos neste trabalho uma função energia generalizada para modelos de sistemas elétricos de potência preservando a estruturada rede elétrica, comum modelo de terceira ordem para os geradores síncronos e considerando as perdas no sistema de transmissão. Com a FEG proposta, sintetizamos leis de controle não lineares para dispositivos TCSC, que independe da topologia da rede, utilizando sinais de realimentação locais e/ou remotos. As leis de controle projetadas melhoram significativamente a dinâmica do sistema e aumentam consideravelmente a região de estabilidade do sistema. / The TCSC device has been used with great efficiency in electric power systems to improve transient stability and to provide damping to electromechanical oscillations. Several studies have been developed in order to synthesize control laws for these devices. Most of the techniques used to design controller in electric power systems use linearized models. Controllers designed with linear techniques can lose efficiency when the operating point varies significantly. Nonlinear controllers can provide robustness to these variations. Among various techniques for non linear control design, the ones based on Lyapunov functions and/or energy function shave been widely used in electric power systems. These techniques require the existence of a Lyapunov function and/or energy function for the design, however, it was shown the non existence of Lyapunov function and/or general energy function for comprehensive electrical power system models, such as,system with losses. Generalized energy functions emerged as an alternative to deal with these classes of models that exhibit complex behavior. Herewer develop a generalized energy function to electrical power system models preserving the structure of the network, with a third-order model for synchronous generators and considering losses in the transmission system. With the proposed generalized energy function, nonlinear control laws are synthesized for TCSC devices, which are independent of the network topology, employ local and/or remote feedback signals. The designed control laws significantly improve the system dynamics and greatly increase stability regions of electrical power system.

O constante aumento da demanda de energia elétrica sobre as redes e a necessidade de interligação de sistemas através de longas linhas de transmissão, culminaram em problemas relacionados à estabilidade do sistema de potência multimáquinas. Tais problemas envolvem oscilações eletromecânicas de baixa frequência classicadas como modos interáreas. Os modos interáreas são caracterizados por oscilações de frequências de até 1Hz e representam oscilações de um grupo de geradores de uma área contra grupos de geradores de outras áreas. Umavezqueoempregodeestabilizadoresdesistemasdepotência(ESP)possanãosersucienteparagarantirumamortecimentoadequadoaessesmodos,osdispositivosFACTSsurgem como uma alternativa ecaz para o amortecimento de oscilações de baixa frequência. Para este m, o Capacitor Série Controlado por Tiristor (TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor) é um dispositivo FACTS comumente empregado e quando utilizado juntamente com um controlador suplementar para amortecimento de oscilações de potência (POD - Power Oscillation Damping) garante ao sistema de potência estabilidade e amortecimento adequado. Assim, o objetivo deste trabalho de mestrado é realizar o projeto coordenado de controladores ESP e TCSC-POD efetuando um ajuste incremental dos parâmetros dos controladores através da formulação do problema por otimização e programação quadrática. Tal técnica foi utilizada anteriormente somente para o projeto de ESPs. No caso deste trabalho será feita uma adaptação para estender a possibilidade de aplicação da metodologia para casos com dispositivos FACTS presentes. / The increasing demand for electricity over networks and the need for systems interconnection through long transmission lines, resulted in problems related to the multi-machine power systemstability. Theseproblemsinvolvelowfrequencyoscillationsclassiedasinterareasmodes. These modes are characterized by oscillations in frequencies up to 1 Hz, and represent a group of generators from one area oscillating against generator groups from other areas. Once the use of power system stabilyzers (PSS) controllers may not be sucient to ensure adequate damping to these modes, the FACTS devices emerge as an ecient alternative to damping low frequency oscillations. For this purpose, the TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)isacommonlyusedFACTSdeviceandwhenitisusedtogetherwithasupplementary controller POD (Power Oscillation Damping), ensures stability to power system and adequate damping. These controllers have the same structure as the PSS controllers. Therefore, the objective of this work is to carry out the coordinated design of PSS and TCSC-POD controllers, performing an incremental adjustment of the controllers parameters by formulating the problem as an optimization problem using quadratic programming. This method was previously used only for PSS design. In the case of this work, it is made an adaptation to extend the applicability of the methodology for cases in which there are FACTS devices present.

Este trabalho aborda as oscilações eletromecânicas de baixa frequência, relativas a modos interáreas, pouco amortecidos, avaliando o seu impacto no desempenho de redes elétricas multi-máquinas com o objetivo de elevar o amortecimento destes modos com equipamentos TCSC. Os locais apropriados para instalação destes equipamentos são escolhidos com a análise dos resíduos de funções de transferência e o ajuste de parâmetros, para o projeto coordenado de controladores, utiliza o método de imposição de polos. O sistema não linear de equações, obtido com a aplicação do método de imposição de polos, supondo coeficientes de amortecimento pré-estabelecidos, é resolvido utilizando-se o método de Newton Raphson. Adicionalmente, avalia-se a possibilidade do método auxiliar na análise de interações entre controladores e identificação de acoplamentos, por meio da análise dos termos que compõem as equações de imposição de polos. / This work deals with low frequency oscillations related to inter-area modes, evaluating their impact on the performance of multi-machine electrical networks with the aim to increase the damping of these modes using TCSC. The best places to install these devices are chosen with the analysis of the residues of transfer functions and the parameter fitting for coordinated application of stabilizers is performed with the pole placement method. The nonlinear system of equations, obtained with the pole placement method, assuming specified damping factors, is solved with the Newton-Raphson method. The method is also used in the analysis of control interaction among stabilizers through the evaluation of individual parcels of the pole placement equations, as an additional feature of the approach.

O constante aumento da demanda de energia elétrica sobre as redes e a necessidade de interligação de sistemas através de longas linhas de transmissão, culminaram em problemas relacionados à estabilidade do sistema de potência multimáquinas. Tais problemas envolvem oscilações eletromecânicas de baixa frequência classicadas como modos interáreas. Os modos interáreas são caracterizados por oscilações de frequências de até 1Hz e representam oscilações de um grupo de geradores de uma área contra grupos de geradores de outras áreas. Umavezqueoempregodeestabilizadoresdesistemasdepotência(ESP)possanãosersucienteparagarantirumamortecimentoadequadoaessesmodos,osdispositivosFACTSsurgem como uma alternativa ecaz para o amortecimento de oscilações de baixa frequência. Para este m, o Capacitor Série Controlado por Tiristor (TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor) é um dispositivo FACTS comumente empregado e quando utilizado juntamente com um controlador suplementar para amortecimento de oscilações de potência (POD - Power Oscillation Damping) garante ao sistema de potência estabilidade e amortecimento adequado. Assim, o objetivo deste trabalho de mestrado é realizar o projeto coordenado de controladores ESP e TCSC-POD efetuando um ajuste incremental dos parâmetros dos controladores através da formulação do problema por otimização e programação quadrática. Tal técnica foi utilizada anteriormente somente para o projeto de ESPs. No caso deste trabalho será feita uma adaptação para estender a possibilidade de aplicação da metodologia para casos com dispositivos FACTS presentes. / The increasing demand for electricity over networks and the need for systems interconnection through long transmission lines, resulted in problems related to the multi-machine power systemstability. Theseproblemsinvolvelowfrequencyoscillationsclassiedasinterareasmodes. These modes are characterized by oscillations in frequencies up to 1 Hz, and represent a group of generators from one area oscillating against generator groups from other areas. Once the use of power system stabilyzers (PSS) controllers may not be sucient to ensure adequate damping to these modes, the FACTS devices emerge as an ecient alternative to damping low frequency oscillations. For this purpose, the TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)isacommonlyusedFACTSdeviceandwhenitisusedtogetherwithasupplementary controller POD (Power Oscillation Damping), ensures stability to power system and adequate damping. These controllers have the same structure as the PSS controllers. Therefore, the objective of this work is to carry out the coordinated design of PSS and TCSC-POD controllers, performing an incremental adjustment of the controllers parameters by formulating the problem as an optimization problem using quadratic programming. This method was previously used only for PSS design. In the case of this work, it is made an adaptation to extend the applicability of the methodology for cases in which there are FACTS devices present.

O dispositivo TCSC vem sendo utilizado com grande eficiência em sistemas elétricos de potência para melhoriada estabilidade transitóriaa e para fornecer amortecimento às oscilações eletromecânicas.Diversos trabalhos vêm sendo desenvolvidos como intuito desintetizar leis de controle para estes dispositivos. A maioria das técnicas empregadas para o projeto de controle em sistemas elétricos de potência utilizam modelos linearizados. Controladores projetados com técnicas lineares podem perder eficiência quando este ponto de operação varia de forma significativa. Controladores não lineares podem oferecer maior robustez a estas variações. Dentre várias técnicas de projeto de controle não linear, os métodos baseado sem funções de Lyapunov e/ou funções energia têm sido amplamente utilizados em sistemas elétricos de potência. Estas técnicas requerem a existência de uma função de Lyapunov e/ou função energia para o projeto, entretanto, mostrou-se que não existem funções de Lyapunov e/ou funções energia gerais para modelos de sistemas elétricos mais complexos que consideram, por exemplo, as perdas do sistema.Funções energia generalizadas (FEG) surgiram como uma alternativa para lidar com estas classes de modelos que apresentam comportamento complexo. Apresentamos neste trabalho uma função energia generalizada para modelos de sistemas elétricos de potência preservando a estruturada rede elétrica, comum modelo de terceira ordem para os geradores síncronos e considerando as perdas no sistema de transmissão. Com a FEG proposta, sintetizamos leis de controle não lineares para dispositivos TCSC, que independe da topologia da rede, utilizando sinais de realimentação locais e/ou remotos. As leis de controle projetadas melhoram significativamente a dinâmica do sistema e aumentam consideravelmente a região de estabilidade do sistema. / The TCSC device has been used with great efficiency in electric power systems to improve transient stability and to provide damping to electromechanical oscillations. Several studies have been developed in order to synthesize control laws for these devices. Most of the techniques used to design controller in electric power systems use linearized models. Controllers designed with linear techniques can lose efficiency when the operating point varies significantly. Nonlinear controllers can provide robustness to these variations. Among various techniques for non linear control design, the ones based on Lyapunov functions and/or energy function shave been widely used in electric power systems. These techniques require the existence of a Lyapunov function and/or energy function for the design, however, it was shown the non existence of Lyapunov function and/or general energy function for comprehensive electrical power system models, such as,system with losses. Generalized energy functions emerged as an alternative to deal with these classes of models that exhibit complex behavior. Herewer develop a generalized energy function to electrical power system models preserving the structure of the network, with a third-order model for synchronous generators and considering losses in the transmission system. With the proposed generalized energy function, nonlinear control laws are synthesized for TCSC devices, which are independent of the network topology, employ local and/or remote feedback signals. The designed control laws significantly improve the system dynamics and greatly increase stability regions of electrical power system.