[pt] Com o uso extremo das linhas de transmissão surgiram os problemas de estabilidade, ou mais apropriadamente, de segurança de tensão. A avaliação das condições de segurança de tensão é realizada pelo programa computacional ESTABTEN. Como os índices calculados são baseados em um ponto de operação do sistema e em um modelo linearizado das equações de fluxo de carga, assim como a função Fluxo de Carga do pacote computacional ANAREDE também o é, é importante que os modelos matemáticos do sistema, de equipamentos, de controles e de limites sejam compatíveis nos dois programas. Assim como o programa de fluxo de carga é continuamente estendido, o programa ESTABTEN deve continuar a ter sua capacidade estendida para atender as necessidades dos estudos.Estuda-se neste trabalho a modelagem em regime permanente de alguns equipamentos especiais da rede de transmissão e sua incorporação à função de avaliação da segurança de tensão. Os equipamentos contemplados foram: elos de corrente contínua (elo CC), compensadores estáticos de potência reativa (CER), esquemas de HVDC/CCC e linhas com compensação série controlada a tiristores (CSC). São mostrados exemplos numéricos que ilustram a necessidade de uma modelagem realista, na medida do possível. / [en] With the extreme use of the transmission lines, the voltage stability problem, or more properly, the voltage security problem has appeared. The voltage security condition assessment is achieved using the computational program ESTABTEN. The calculated indexes are based on a system operation point and on a linear model of load flow equations, likewise the ANAREDE load flow function. It is important that the mathematical models of systems, equipments, control devices and limits are compatible in both programs. As the load flow program is continually extended, the ESTABTEN program is to have its capability enhanced in order to attend the study requirements. This work is concerned with the steady-state modelling of some special equipments of the transmission network and its incorporation to the voltage security assessment function. The equipments considered were: direct current link (DC link), static VAR compensators (SVC), HVDC/CCC and lines with series controlled compensation (TSSC).Numerical examples are presented to illustrate the necessity of realistic modelling.

Aplicações móveis que não podem ser recarregadas durante operação, como sensores biomédicos e aplicações da Internet das Coisas, dependem da extração de energia do próprio meio onde se encontram. Tensões de alimentação típicas são normalmente maiores que as disponiveis por métodos de extração de energia do meio e requerem uma conversão de nivel DC que invariavelmente resulta em perdas proporcionais ao fator de conversão. Consequentemente, aplicações projetadas para tensões de alimentação mais próximas da tensão nominal da fonte melhora a eficiência energética. Entretanto, topologias de circuitos elétricos para tensões típicas de alimentação sao impróprias para tensões extremamente baixas. Neste trabalho foram propostas topologias de amplificadores de saída unipolar e diferencial para tensões de alimentaçãoo na casa de centenas de milivolts. As técnicas propostas se baseiam no uso de pares pseudodiferenciais com terminais de corpo polarizados diretamente para vários propósitos, incluindo rejeição de modo comum e polarização de modo comum de saída e corrente DC. Adicionalmente, um oscilador baseado na mesmas técnicas de polarização foi proposto e projetado para duas classes de aplicações: um oscilador de referência intrinsicamente estável e um oscilador controlado por tensão para conversão analógica-digital com melhor linearidade. / Nomadic applications which cannot be recharged while at operation, such as biomedical sensors and Internet of Things applications, rely on energy harvesting from the environment. Typical supply voltages are usually higher than those achieved by energy harvesting methods and requires DC-DC conversion levels, which invariably results in energy loss proportionally to the step of voltage conversion. Consequently, designing at supply voltages closer to the nominal voltage of the energy source improves power efficiency. However, extremely low supply voltages bring design challenges, as circuit topologies for typical voltages employ techniques not suitable for extremely low supply voltages. In this work, single ended and fully differential amplifier topologies for voltage supplies in the range of few hundreds mV were proposed. The proposed approaches use the pseudo differential pairs with the transistor bulk terminals with forward biasing voltages for several purposes, including common mode rejection, output common mode voltage and DC current biasing. Additionally, a ring oscillator based in the same biasing techniques was proposed and designed for two main classes of applications: an intrinsically stable reference oscillator and a voltage controlled oscillator for analog-digital conversion with linearity improvements.

Distributed generation (DG) has received much attention recently due to environmental consciousness and rising of the energy efficiency. However, DG interconnecting to low-voltage distribution system may cause voltage variation, and a lot of single-phase DG or single-phase load may result in voltage unbalance. This thesis presents a distributed-STATCOM (D-STATCOM) to alleviate variation of both positive-sequence and negative-sequence voltages at the fundamental frequency. The D-STATCOM operates as susceptance and conductance at the fundamental positive-and negative-sequence frequency, respectively. The susceptance and conductance commands are dynamically tuned according to voltage fluctuation at the installation location. Therefore, the positive-sequence voltage can be restored to the nominal value as well as the negative-sequence voltage can be suppressed to an allowable level. Computer simulations and experimental results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

Diss. (sammanfattning) Linköping : Linköpings universitet, 2007. / Härtill 4 uppsatser.

Aplicações móveis que não podem ser recarregadas durante operação, como sensores biomédicos e aplicações da Internet das Coisas, dependem da extração de energia do próprio meio onde se encontram. Tensões de alimentação típicas são normalmente maiores que as disponiveis por métodos de extração de energia do meio e requerem uma conversão de nivel DC que invariavelmente resulta em perdas proporcionais ao fator de conversão. Consequentemente, aplicações projetadas para tensões de alimentação mais próximas da tensão nominal da fonte melhora a eficiência energética. Entretanto, topologias de circuitos elétricos para tensões típicas de alimentação sao impróprias para tensões extremamente baixas. Neste trabalho foram propostas topologias de amplificadores de saída unipolar e diferencial para tensões de alimentaçãoo na casa de centenas de milivolts. As técnicas propostas se baseiam no uso de pares pseudodiferenciais com terminais de corpo polarizados diretamente para vários propósitos, incluindo rejeição de modo comum e polarização de modo comum de saída e corrente DC. Adicionalmente, um oscilador baseado na mesmas técnicas de polarização foi proposto e projetado para duas classes de aplicações: um oscilador de referência intrinsicamente estável e um oscilador controlado por tensão para conversão analógica-digital com melhor linearidade. / Nomadic applications which cannot be recharged while at operation, such as biomedical sensors and Internet of Things applications, rely on energy harvesting from the environment. Typical supply voltages are usually higher than those achieved by energy harvesting methods and requires DC-DC conversion levels, which invariably results in energy loss proportionally to the step of voltage conversion. Consequently, designing at supply voltages closer to the nominal voltage of the energy source improves power efficiency. However, extremely low supply voltages bring design challenges, as circuit topologies for typical voltages employ techniques not suitable for extremely low supply voltages. In this work, single ended and fully differential amplifier topologies for voltage supplies in the range of few hundreds mV were proposed. The proposed approaches use the pseudo differential pairs with the transistor bulk terminals with forward biasing voltages for several purposes, including common mode rejection, output common mode voltage and DC current biasing. Additionally, a ring oscillator based in the same biasing techniques was proposed and designed for two main classes of applications: an intrinsically stable reference oscillator and a voltage controlled oscillator for analog-digital conversion with linearity improvements.

[pt] O problema de estabilidade de tensão está intimamente ligado à falta de recursos e questões ambientais que limitam a expansão do sistema de transmissão. Esta realidade em conjunto com o crescimento da carga submete os sistemas elétricos a carregamentos pesados, podendo levar a situações de colapso de tensão. O desenvolvimento de métodos para avaliação do carregamento da rede de transmissão tornou-se necessário e imprescindível para que se possa entender o funcionamento do sistema nestas condições e possibilitar a sua operação de modo correto. Em relatório de força-tarefa internacional está explicitada a necessidade de uma ferramenta computacional capaz de verificar a eficácia das ações de controle de tensão na operação do sistema elétrico em tempo-real. Com esse objetivo, foi desenvolvida uma ferramenta computacional com base no sistema linearizado das equações de fluxo de carga, e de todas as outras equações de controles e limites, julgadas pertinentes, para avaliação do efeito das ações de controle de tensão. Determinase uma matriz de sensibilidade [VCS], voltage control sensitivity matrix, através da qual se pode estabelecer a relação existente entre as tensões controladas e as grandezas controladoras. Os elementos diagonais relacionam a grandeza controladora de cada equipamento com a respectiva tensão controlada. A análise do sinal desses elementos estabelece se uma determinada ação de controle será adequada ou não, isto é, se terá efeito esperado ou oposto. Os elementos fora da diagonal representam a interdependência existente entre os equipamentos controladores de tensão. A matriz de sensibilidade também permite que ações de controle de tensão sejam calculadas com o objetivo de mover um ponto de operação inadequado, ou que esteja suscetível à inadequacidade do controle de tensão, colocando-os em um ponto de operação seguro, onde ações operativas de controle de tensão tenham o efeito esperado. Os resultados da avaliação do método desenvolvido e aplicado a sistemas-teste e reais foram qualitativamente coerentes com aqueles obtidos pela resolução (analítica, iterativa por Newton ou iterativa continuada) das equações de fluxo de carga, validando a proposta. A dimensão da matriz [VCS] é proporcional ao número de barras com tensão controlada em análise. Esta matriz não é esparsa e então, quando utilizada para representar o controle de tensão realizado por um número elevado de equipamentos controladores, sua análise direta pode se tornar complexa. Portanto, uma análise baseada nos autovalores e autovetores associados à matriz [VCS] é aplicada objetivando identificar barras de tensão controlada com efeito reverso, ocorrendo de modo contrário ao esperado, e a existência de controles conflitantes. Buscam-se autovalores negativos, nulos ou próximos de zero. A localização das barras com problemas se dá através do exame dos autovetores e fatores de participação associados a esses autovalores. O cálculo e a análise da matriz de sensibilidade dos controles de tensão são executados de forma extremamente rápida e, portanto, o esforço computacional não impede que a ferramenta desenvolvida possa ser usada durante a operação em tempo-real. / [en] The voltage stability problem has been associated with environment questions and lack of financial resources for transmission system expansion. This reality together with the load growth makes the electrical system to be subject of heavy loadings, what can lead to situations of voltage collapse. The development of methods for evaluation of transmission network loading became necessary and indispensable in order to correct operation of the system under heavy loading conditions. In an international force-task report it is stated the need for analytical tools capable of verifying the voltage control action adequacy in the real-time operation. This work reports the development of a computation tool able to evaluate the effect of voltage control actions on the voltage itself. It is based the linearized load flow equations, including control and limit equations judged pertinent. The tool establishes a sensitive matrix, named [VCS] for voltage control sensitivity matrix, that relates the controlling variables and the controlled voltages. Through the analysis of the sign of each diagonal element, it is possible to know whether a specific control action is adequate or not. Moreover, the off-diagonal elements represent the interdependence among the voltage controller devices of the power system under analysis. The sensitivity matrix also allows the calculation of control actions necessary to move the operating point from an unstable area, or near by, to a secure operating region where all voltage control actions would have the expected effect. The results obtained with the voltage control sensitivity matrix applied on real and test-systems was qualitatively coherent with those calculated by analytical, iteractive by Newton-Raphson and/or continuationiteractive solution of power flow equations, validating the proposed method. The [VCS] dimension is proportional to the number of buses with controlled voltage in the system area under analysis. The matrix is not sparse and when there are a large number of voltage control equipments, its immediate analysis may be complex. Therefore, an analysis based on eigenvalues and eigenvectors associated with [VCS] matrix is used in order to identify voltage control action with opposite effect. In this case, the analysis is focused on negative eigenvalues. The identification of conflicting controls existence of any system area under analysis is a by-product. The voltage control sensitivity matrix computation and analysis are performed extremely fast. Therefore, the computational effort does not constrain its use in real-time operation.

[pt] Após a incidência de alguns colapsos de tensão em sistemas de transmissão de energia a nível mundial, a segurança de tensão tornou-se um assunto de muito interesse nos últimos anos devido à importância do seu impacto. O fenômeno de estabilidade de tensão deve-se a fluxos de potência ativa e reativa excessivos na rede de transmissão e está associado às restrições ambientais e econômicas que impedem a expansão da rede. Atualmente, sabese da existência de uma máxima carga que pode ser alimentada pela rede e é a manifestação mais conhecida do fenômeno mas, também, é possível que o problema manifeste-se pela existência de uma máxima injeção de potência ativa e reativa na rede por geradores e compensadores síncronos. E mais, em situações de carregamento elevado da rede, é possível que ações de controle de tensão tenham efeito oposto ao usual. É apresentado um método seqüencial iterativo de avaliação e reforço para as condições de carregamento da rede em barras de tensão controlada, embora na literatura somente as barras de carga são analisadas. A verificação do comportamento do gerador e compensador síncrono como dispositivo de controle torna-se necessária já que, se funcionar de forma inversa, poderá levar o sistema ao colapso por problemas de tensão. Uma vez que a avaliação do carregamento da rede de transmissão detectou uma barra de geração crítica em um determinado ponto de operação, o reforço consiste do cálculo de ações de controle para aumentar a distância ou margem de potência entre a geração daquela barra e o novo máximo permitido. Muitas vezes isso pode ser conseguido através da alteração do perfil de tensão com a conseqüente redução nas perdas. Muitas outras vezes, o redespacho de potência ativa torna-se necessário. As etapas do método são: identificar a barra crítica, identificar a sub-rede utilizada para transmitir potência ativa dessa barra para as cargas, nessa sub-rede determinar o caminho e ramo mais carregados e, desviar o fluxo de potência do ramo mais carregado para outros. A seqüência é repetida até que as novas margens de potência sejam consideradas aceitáveis. Exemplos numéricos ilustrativos reais com o sistema brasileiro são apresentados. É verificado que o método proposto realmente produz os resultados desejados. / [en] After the incidence of some voltage collapses in the energy transmission systems in the world, the voltage security became an issue of great interest in the last years due to the importance of its impact. The phenomenon of voltage stability is due to the excessive active and reactive power flow in the electrical transmission network and has been associated with environment questions and lack of financial resources for transmission system expansion. Nowadays, it is well-known that there is a maximum power that the network can transmit to a load bus and is the best known manifestation of the phenomenon, but, is not familiar to many that there is a maximum power that can be injected by generators and synchronous compensators into the network. Moreover, in heavy loading conditions is possible that voltage control actions would have the inverse effect. It is shown a sequential iterative method for assessment and voltage security reinforcement in voltage-controlled buses, although the literature only the load buses are analyzed. The verification of the behaviour of the generator and synchronous compensator as control device becomes necessary since, if it works in an inverse way, it can take the system to the voltage collapse. Once the assessment is performed and is detected one generation critical bus in some operating point, the objective of the reinforcement function is to calculate adequate control actions in order to increase the distance or power margin between the actual generation and the new maximum power flow. Several times this may be achieved by voltage profile changes and consequent loss reduction. Sometimes that procedure is not enough and active generation rescheduling is recommended. The stages of the method are: identify the critical bus, identify the sub-network used to transmit active power flow from this bus to load buses, in this sub-network the critical transmission path and critical branch are determined and redirect the power flow from the branch more loaded to others. The sequence is repeated until resultant power margins are judged suitable. Illustrative real life numerical examples with the Brazilian system are provided. It is verified that the proposed method really produces the desired results.

Aplicações móveis que não podem ser recarregadas durante operação, como sensores biomédicos e aplicações da Internet das Coisas, dependem da extração de energia do próprio meio onde se encontram. Tensões de alimentação típicas são normalmente maiores que as disponiveis por métodos de extração de energia do meio e requerem uma conversão de nivel DC que invariavelmente resulta em perdas proporcionais ao fator de conversão. Consequentemente, aplicações projetadas para tensões de alimentação mais próximas da tensão nominal da fonte melhora a eficiência energética. Entretanto, topologias de circuitos elétricos para tensões típicas de alimentação sao impróprias para tensões extremamente baixas. Neste trabalho foram propostas topologias de amplificadores de saída unipolar e diferencial para tensões de alimentaçãoo na casa de centenas de milivolts. As técnicas propostas se baseiam no uso de pares pseudodiferenciais com terminais de corpo polarizados diretamente para vários propósitos, incluindo rejeição de modo comum e polarização de modo comum de saída e corrente DC. Adicionalmente, um oscilador baseado na mesmas técnicas de polarização foi proposto e projetado para duas classes de aplicações: um oscilador de referência intrinsicamente estável e um oscilador controlado por tensão para conversão analógica-digital com melhor linearidade. / Nomadic applications which cannot be recharged while at operation, such as biomedical sensors and Internet of Things applications, rely on energy harvesting from the environment. Typical supply voltages are usually higher than those achieved by energy harvesting methods and requires DC-DC conversion levels, which invariably results in energy loss proportionally to the step of voltage conversion. Consequently, designing at supply voltages closer to the nominal voltage of the energy source improves power efficiency. However, extremely low supply voltages bring design challenges, as circuit topologies for typical voltages employ techniques not suitable for extremely low supply voltages. In this work, single ended and fully differential amplifier topologies for voltage supplies in the range of few hundreds mV were proposed. The proposed approaches use the pseudo differential pairs with the transistor bulk terminals with forward biasing voltages for several purposes, including common mode rejection, output common mode voltage and DC current biasing. Additionally, a ring oscillator based in the same biasing techniques was proposed and designed for two main classes of applications: an intrinsically stable reference oscillator and a voltage controlled oscillator for analog-digital conversion with linearity improvements.

[pt] Esta pesquisa está relacionada à avaliação das condições de estabilidade de tensão em pontos de operação do sistema elétrico. A modelagem de geradores / compensadores síncronos e compensadores estáticos são analisadas. Estabeleceram-se os melhores modelos com controle de tensão ativo e com perda do controle. A questão da adequação do controle de tensão foi tratada através da análise dos elementos da matriz de sensibilidade entre as grandezas controladoras e as tensões controladas. Os índices de estabilidade de tensão foram calculados. Em todos os casos, a perda de controle de tensão tem impacto negativo sobre as condições de estabilidade de tensão. Nos casos com ação de controle inadequada, independe da relação inversa entre grandeza controladora e tensão controlada, um aumento da tensão na barra controlada teve um impacto positivo sobre as condições de estabilidade de tensão, e uma diminuição da tensão na barra controlada teve impacto negativo sobre as condições de estabilidade de tensão. Esse é o resultado esperado também quando a ação de controle é adequada. / [en] This research is related to the evaluation of voltage stability conditions of operating points of the power system. It has been studied the modelling of synchronous generators/synchronous compensators and static var compensators. The best models were established with active voltage control and with loss of control. The issue of voltage control was treated through analysis of the matrix sensitivity elements between the controlling variables and voltages at controlled buses. The voltage stability indexes were evaluated. In all cases, control loss proved to have a negative impact on voltage stability conditions. In cases with inadequate control action, results are non-dependent of the opposed relation between the controlling variable and voltage at controlling bus, an increase on voltage at controlled busbar proved to have a positive impact on voltage stability conditions, and a decrease on voltage at controlled busbar proved to have a negative impact on voltage stability conditions. This is also expected when the control action is appropriate.

[pt] A crescente demanda de energia elétrica, associada a limitações na expansão do sistema de transmissão, resulta na operação dos sistemas elétricos cada vez mais próxima de seus limites, tornando-os vulneráveis a problemas de estabilidade de tensão. Neste contexto, o desenvolvimento de métodos para avaliação do carregamento da rede de transmissão tornou-se fundamental para que se possa compreender o funcionamento do sistema nestas condições, bem como possibilitar sua operação com maior confiabilidade e segurança. No presente trabalho é apresentada a formulação não-clássica para o controle de tensão local, remoto e coordenado, utilizada na solução do problema do fluxo de potência. A partir desta formulação, foi realizado o estudo da teoria associada à avaliação do carregamento da rede de transmissão considerando não só barras de carga e barras de tensão controlada localmente, mas também barras controladoras e de tensão controlada em sistemas com controle de tensão remoto e coordenado. Para essas barras, foram deduzidos índices de avaliação das condições de estabilidade de tensão, os quais indicam a região de operação de cada barra na curva para phi constante no plano SV, a margem em MVA para o máximo carregamento e a importância relativa entre as barras. Exemplos numéricos são apresentados demonstrando a aplicabilidade dos índices propostos. / [en] The growing demand for electricity, coupled with the limitations on the transmission system’s expansion, results in the operation of power systems ever closer to their limits, making them vulnerable to voltage stability problems. In this context, the development of methods to evaluate the loading of the transmission system became essential so that you can understand the operation of the system under these conditions, and to enable its operation with greater reliability and security. This work presents the formulation for the non-classical local, remote and coordinated voltage control, used in solving the problem of load flow. From this formulation, the study of the theory associated with the assessment of the loading of the transmission system was conducted considering not only load buses and locally voltage controlled buses, but also voltage controlling and controlled buses in systems with remote and coordinated voltage control. For these buses were deducted evaluation indexes of voltage stability conditions, which indicate the operating region of each bus in the S-V curve, the margin in MVA for maximum loading and the relative importance between the buses. Numerical examples are presented demonstrating the applicability of the proposed indexes.