Este trabalho trata do UPFC (Unified Power Flow Controller), que corresponde a um dos mais promissores dispositivos FACTS de última geração, pois apresenta a capacidade de controle independente de todos os parâmetros básicos do sistema elétrico de potência (tensão, impedância e ângulo de fase). Com base nos modelos já propostos para representação deste equipamento em regime permanente, é realizada análise e proposta de um modelo que permite uma abordagem prática, para simulação do UPFC em softwares de fluxo de potência comerciais que não possuem modelos dedicados para este dispositivo. São revisitados os conceitos associados ao UPFC, com apresentação dos modelos analisados e seus respectivos parâmetros, assim como os equipamentos instalados e estimativa de custos para implantação. Através de simulações utilizando o modelo de transformador ideal associado à impedância do transformador série e compensador estático, são obtidos os parâmetros para o modelo de injeção de potências e realizadas simulações que demonstram a equivalência entre estes modelos. Finalmente, é realizada a análise de aplicação do UPFC em um sistema de distribuição de alta tensão, onde há forte presença de geração distribuída com sua sazonalidade característica e linhas que realizam a interligação entre diferentes fontes do sistema, havendo a necessidade de controle do fluxo de potência e melhoria dos níveis de tensão em função dos critérios técnicos e aspectos regulatórios. / This work is about UPFC which corresponds to one of the most promising last generation FACTS device, for it presents independent control in all basic parameters of the electrical power system (voltage, impedance and phase angle). Based on models that have already been proposed to represent this equipment in steady state, an analysis has been made and a model that permits practical approach is proposed to simulate the UPFC in commercial power flow softwares that do not yet support this device. The associated UPFC concepts are revisited with the presentation of analyzed models and their respective parameters as well as the installed equipments and cost estimate for implementation. Through simulations using ideal transformer associated to the series transformer impedance and static Var compensator model, parameters are obtained for the power injection model and simulations were run that showed a similarity between these models. Finally, a UPFC application analysis was done for a region of high voltage distribution system, where there is a strong presence of distributed generation typically seasonal and lines which connect different sources of the system, having the necessity of controlling the power flow and improvement of the voltage levels due to the technical criteria and regulatory aspects.

Este trabalho trata do UPFC (Unified Power Flow Controller), que corresponde a um dos mais promissores dispositivos FACTS de última geração, pois apresenta a capacidade de controle independente de todos os parâmetros básicos do sistema elétrico de potência (tensão, impedância e ângulo de fase). Com base nos modelos já propostos para representação deste equipamento em regime permanente, é realizada análise e proposta de um modelo que permite uma abordagem prática, para simulação do UPFC em softwares de fluxo de potência comerciais que não possuem modelos dedicados para este dispositivo. São revisitados os conceitos associados ao UPFC, com apresentação dos modelos analisados e seus respectivos parâmetros, assim como os equipamentos instalados e estimativa de custos para implantação. Através de simulações utilizando o modelo de transformador ideal associado à impedância do transformador série e compensador estático, são obtidos os parâmetros para o modelo de injeção de potências e realizadas simulações que demonstram a equivalência entre estes modelos. Finalmente, é realizada a análise de aplicação do UPFC em um sistema de distribuição de alta tensão, onde há forte presença de geração distribuída com sua sazonalidade característica e linhas que realizam a interligação entre diferentes fontes do sistema, havendo a necessidade de controle do fluxo de potência e melhoria dos níveis de tensão em função dos critérios técnicos e aspectos regulatórios. / This work is about UPFC which corresponds to one of the most promising last generation FACTS device, for it presents independent control in all basic parameters of the electrical power system (voltage, impedance and phase angle). Based on models that have already been proposed to represent this equipment in steady state, an analysis has been made and a model that permits practical approach is proposed to simulate the UPFC in commercial power flow softwares that do not yet support this device. The associated UPFC concepts are revisited with the presentation of analyzed models and their respective parameters as well as the installed equipments and cost estimate for implementation. Through simulations using ideal transformer associated to the series transformer impedance and static Var compensator model, parameters are obtained for the power injection model and simulations were run that showed a similarity between these models. Finally, a UPFC application analysis was done for a region of high voltage distribution system, where there is a strong presence of distributed generation typically seasonal and lines which connect different sources of the system, having the necessity of controlling the power flow and improvement of the voltage levels due to the technical criteria and regulatory aspects.

Dispositivos baseados em eletrônica de potência, conhecidos na literatura como Dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission Systems) permitem aumentar a capacidade de transmissão diminuindo a margem de segurança necessária para uma operação segura do sistema elétrico de potência (SEP) sem construir novas linhas, permitindo controlar os fluxos nas linhas e assim permitindo que os contratos entre as empresas de transmissão sejam respeitados. Entre os dispositivos FACTS, o de maior versatilidade é o Unified Power Flow Controller (UPFC), capaz de controlar três variáveis do sistema. No entanto, a inclusão desses dispositivos traz outros problemas ao SEP, um deles, a proteção das linhas. Este trabalho apresenta uma contribuição para uma nova formulação matemática, adaptativa e compensada para a proteção de distância baseada na impedância aparente para a proteção de linhas compensadas com dispositivos UPFC. A formulação proposta se baseia em uma modelagem trifásica do sistema e na compensação da impedância aparente calculada através dos parâmetros controlados do UPFC e da estimação da impedância da falta. Resultados obtidos através da simulação exaustiva de faltas, mostram que esta formulação apresenta um excelente desempenho para a proteção de distância de linhas compensadas por dispositivos UPFC. / Power electronics-based devices, known as FACTS devices (Flexible Alternating current Transmission Systems) allow to increase transmission capacity by decreasing the safety margin required for a secure operation of the Electric Power System (EPS). It is possible without need to build new lines, allowing to control the flows in lines and thus allowing contracts between the transmission companies are respected. Among the FACTS devices, the most versatile is the Unified Power Flow Controller (UPFC) capable of controlling three variables of the system. However, the inclusion of these devices brings other problems to the EPS, one of them, the transmission lines protection. This Thesis presents a contribution to a new mathematical formulation, adaptive and compensated for the distance protection based on the apparent impedance to protect transmission lines compensated by UPFC devices. The proposed formulation is based on a three-phase frame reference and the compensation of apparent impedance by the UPFC controlled parameters and the estimation of the fault impedance. Results obtained, through the comprehensive simulation of faults, show that it formulation present excellent performance for distance protection of transmission lines compensated by UPFC devices.

Dispositivos baseados em eletrônica de potência, conhecidos na literatura como Dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission Systems) permitem aumentar a capacidade de transmissão diminuindo a margem de segurança necessária para uma operação segura do sistema elétrico de potência (SEP) sem construir novas linhas, permitindo controlar os fluxos nas linhas e assim permitindo que os contratos entre as empresas de transmissão sejam respeitados. Entre os dispositivos FACTS, o de maior versatilidade é o Unified Power Flow Controller (UPFC), capaz de controlar três variáveis do sistema. No entanto, a inclusão desses dispositivos traz outros problemas ao SEP, um deles, a proteção das linhas. Este trabalho apresenta uma contribuição para uma nova formulação matemática, adaptativa e compensada para a proteção de distância baseada na impedância aparente para a proteção de linhas compensadas com dispositivos UPFC. A formulação proposta se baseia em uma modelagem trifásica do sistema e na compensação da impedância aparente calculada através dos parâmetros controlados do UPFC e da estimação da impedância da falta. Resultados obtidos através da simulação exaustiva de faltas, mostram que esta formulação apresenta um excelente desempenho para a proteção de distância de linhas compensadas por dispositivos UPFC. / Power electronics-based devices, known as FACTS devices (Flexible Alternating current Transmission Systems) allow to increase transmission capacity by decreasing the safety margin required for a secure operation of the Electric Power System (EPS). It is possible without need to build new lines, allowing to control the flows in lines and thus allowing contracts between the transmission companies are respected. Among the FACTS devices, the most versatile is the Unified Power Flow Controller (UPFC) capable of controlling three variables of the system. However, the inclusion of these devices brings other problems to the EPS, one of them, the transmission lines protection. This Thesis presents a contribution to a new mathematical formulation, adaptive and compensated for the distance protection based on the apparent impedance to protect transmission lines compensated by UPFC devices. The proposed formulation is based on a three-phase frame reference and the compensation of apparent impedance by the UPFC controlled parameters and the estimation of the fault impedance. Results obtained, through the comprehensive simulation of faults, show that it formulation present excellent performance for distance protection of transmission lines compensated by UPFC devices.

Dispositivos baseados em eletrônica de potência, conhecidos na literatura como Dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission Systems) permitem aumentar a capacidade de transmissão diminuindo a margem de segurança necessária para uma operação segura do sistema elétrico de potência (SEP) sem construir novas linhas, permitindo controlar os fluxos nas linhas e assim permitindo que os contratos entre as empresas de transmissão sejam respeitados. Entre os dispositivos FACTS, o de maior versatilidade é o Unified Power Flow Controller (UPFC), capaz de controlar três variáveis do sistema. No entanto, a inclusão desses dispositivos traz outros problemas ao SEP, um deles, a proteção das linhas. Este trabalho apresenta uma contribuição para uma nova formulação matemática, adaptativa e compensada para a proteção de distância baseada na impedância aparente para a proteção de linhas compensadas com dispositivos UPFC. A formulação proposta se baseia em uma modelagem trifásica do sistema e na compensação da impedância aparente calculada através dos parâmetros controlados do UPFC e da estimação da impedância da falta. Resultados obtidos através da simulação exaustiva de faltas, mostram que esta formulação apresenta um excelente desempenho para a proteção de distância de linhas compensadas por dispositivos UPFC. / Power electronics-based devices, known as FACTS devices (Flexible Alternating current Transmission Systems) allow to increase transmission capacity by decreasing the safety margin required for a secure operation of the Electric Power System (EPS). It is possible without need to build new lines, allowing to control the flows in lines and thus allowing contracts between the transmission companies are respected. Among the FACTS devices, the most versatile is the Unified Power Flow Controller (UPFC) capable of controlling three variables of the system. However, the inclusion of these devices brings other problems to the EPS, one of them, the transmission lines protection. This Thesis presents a contribution to a new mathematical formulation, adaptive and compensated for the distance protection based on the apparent impedance to protect transmission lines compensated by UPFC devices. The proposed formulation is based on a three-phase frame reference and the compensation of apparent impedance by the UPFC controlled parameters and the estimation of the fault impedance. Results obtained, through the comprehensive simulation of faults, show that it formulation present excellent performance for distance protection of transmission lines compensated by UPFC devices.

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

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

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

In order to identify the weakest bus in a power system so that the Unified Power Flow Controller could be connected, an investigation of static and dynamic voltage stability is presented. Two stability indices, static and dynamic, have been proposed in the thesis. Multi-Input Multi-Output (MIMO) analysis has been used for the dynamic stability analysis. Results based on the Western System Coordinate Council (WSCC) 3-machine, 9-bus test system and IEEE 14 bus Reliability Test System (RTS) shows that these indices detect with the degree of accuracy the weakest bus, the weakest line and the voltage stability margin in the test system before suffering from voltage collapse. Recently, Flexible Alternating Current Transmission systems (FACTs) have become significant due to the need to strengthen existing power systems. The UPFC has been identified in literature as the most comprehensive and complex FACTs equipment that has emerged for the control and optimization of power flow in AC transmission systems. Significant research has been done on the UPFC. However, the extent of UPFC capability, connected to the weakest bus in maintaining the power flows under fault conditions, not only in the line where it is installed, but also in adjacent parallel lines, remains to be studied. In the literature, it has normally been assumed the UPFC is disconnected during a fault period. In this investigation it has been shown that fault conditions can affect the UPFC significantly, even if it occurred on far buses of the power system. This forms the main contribution presented in this thesis. The impact of UPFC in minimizing the disturbances in voltages, currents and power flows under fault conditions are investigated. The WSCC 3-machine, 9-bus test system is used to investigate the effect of an unsymmetrical fault type and position on the operation of UPFC controller in accordance to the G59 protection, stability and regulation. Results show that it is necessary to disconnect the UPFC controller from the power system during unsymmetrical fault conditions.