Orientadores: Vivaldo Fernando da Costa, Luiz Carlos Pereira da Silva / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-08T18:53:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kopcak_Igor_D.pdf: 1188245 bytes, checksum: e1912d198506d0fd20e05f9202486e80 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: O estressamento dos sistemas elétricos tem voltado o interesse de engenheiros e pesquisadores para a definição e avaliação de margens de segurança relacionadas a critérios dinâmicos. Neste trabalho é proposta uma ferramenta que permite a avaliação de quatro diferentes critérios de estabilidade: margem de amortecimento, margem oscilatória, margem de estabilidade de tensão e o ponto de máximo carregamento. A metodologia baseia-se em um fluxo de carga expandido que incorpora as características de regime permanente de dispositivos dinâmicos, fornecendo pontos de equilíbrio precisos e mais condizentes com a resposta "real" dos sistemas elétricos quando sujeitos a perturbações. As margens são calculadas através da análise modal aplicada aos pontos de equilíbrio de curvas PV. Além disso, estudos preliminares são conduzidos objetivando a expansão da análise modal estática, fornecendo fatores de participação para todas as barras do sistema, dos pontos de vista das potências ativa e reativa. Portanto, a plataforma não só permite a identificação dos pontos onde ocorreria o colapso do sistema, como fornece a indicação das medidas corretivas mais efetivas para evitar problemas de instabilidade / Doutorado / Energia Eletrica / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientadores: Carlos Alberto de Castro Junior, Alexandre de Assis Mota / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T20:26:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AriaArias_David_M.pdf: 982619 bytes, checksum: 902edfe03a42ce4e64a22f698a4267cf (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O presente trabalho apresenta um modelo para o planejamento da operação de sistemas de potência visando maximizar a margem de estabilidade de tensão ao mesmo tempo em que minimizam-se os custos da produção da energia (despacho econômico). O objetivo é obter uma solução para o planejamento da operação da rede que leve em conta não só aspectos técnicos, mas também econômicos. Para que esse objetivo possa ser atingido, esse problema é formulado como um problema da programação bilevel (BLPP) ou em dois níveis. O modelo bilevel permite definir funções objetivo distintas para maximizar a margem da estabilidade de tensão e, ao mesmo tempo, conseguir um despacho econômico ótimo, permitindo a imposição de diferentes restrições para as variáveis internas e externas do problema. Uma vez que o BLPP apresenta-se como um problema matemático complexo, ele é reduzido a um problema de otimização de um só nível (single-level), substituindo-se o problema de otimização interno pelas condições de ótimalidade de Karush-Kuhn-Tucker (KKT). Foram realizados testes e simulações em diferentes sistemas elétricos, sendo que os resultados obtidos atestam a validade da metodologia proposta. Além disso, a formulação e o método de solução do BLPP apresentados neste trabalho são mais simples que outros encontrados na literatura, tornando essa metodologia bastante flexível para a utilização e investigação de outras funções objetivo, variáveis e parâmetros de controle. / Abstract: This work presents a model for power systems operation planning that aims to maximize the voltage stability margin and also the economic dispatch. The objective is to obtain a solution for the network operation planning that takes into account both technical and economical aspects. In order to reach this goal, this problem is formulated as a bilevel programming problem (BLPP). The bilevel model allows to define distinct objective functions for maximizing the voltage stability margin looking, simultaneously, for an optimum economic dispatch, and permitting the imposition of different constraints to the variables of the inner and outer problems. Since the BLPP is a complex mathematical problem, it is reduced to a single-level optimization problem by replacing the inner optimization problem by its Karush-Kuhn-Tucker optimality conditions. Simulations and tests were carried out for different electric networks, and the results show that the proposed methodology is valid. Moreover, the BLPP formulation and its solution method are simpler than other formulations found in the literature, making the methodology very flexible to accommodate other objective functions, variables and control parameters. / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

Este trabalho está dividido em duas partes distintas que constituem contribuições inéditas ao estudo da estabilidade em sistemas elétricos de potência. A primeira parte do trabalho é a mais importante e trata do problema da identificação das soluções de baixa tensão críticas do fluxo de carga. Esta parte do trabalho se presta a análise de estabilidade de tensão a pequenas perturbações. Os últimos capítulos deste trabalho apresentam também uma proposta de função energia estendida que modela as cargas dependentes da tensão segundo o modelo ZIP de carga, considerando a estrutura da rede preservada. Assim, a função energia proposta pode ser utilizada para analisar tanto a estabilidade de tensão como a estabilidade de ângulo em sistemas de potência. Esta proposta também é inédita na literatura. Embora a função energia proposta tenha sido aplicada apenas a sistemas de dimensão reduzidas, os resultados apresentados neste trabalho nos levam a acreditar que essa mesma função energia pode ser utilizada na análise de estabilidade de sistemas de potência de grandes dimensões. Já o método proposto para identificação das soluções de baixa tensão das equações de fluxo de carga se utiliza de um sistema dinâmico auxiliar das equações de fluxo de carga. O sistema dinâmico auxiliar utilizado não tem significado físico, mas pode ser escolhido de tal forma que a solução usual das equações de fluxo de carga seja um ponto de equilíbrio estável do sistema dinâmico auxiliar, eque as soluções de baixa tensão do fluxo de carga sejam pontos de equilíbrio instáveis do sistema dinâmico auxiliar. Dessa forma, é possível calcular as soluções de baixa tensão do fluxo de carga, calculando-se os pontos de equilíbrio instáveis do sistema dinâmico auxiliar. Assim, é possível utilizar partes da teoria de sistemas dinâmicos para estudar as soluções das equações de fluxo de carga. Baseado nestes princípios, foi desenvolvido um programa para calcular trajetórias do sistema dinâmico auxiliar, que se iniciam e se mantêm nas vizinhanças da fronteira da área de atração do ponto de equilíbrio estável do SEP. Dessa forma é possível afirmar que a trajetória calculada tende a convergir para a solução crítica das equações de fluxo de carga. O programa foi inicialmente concebido para calcular as soluções de baixa tensão de sistemas elétricos sem perdas. Em seguida o programa desenvolvido foi adaptado para calcular as soluções de baixa tensão de sistemas de potência completos, incluindo também as resistências das linhas de transmissão. Esta última versão do programa foi testada para os sistemas IEEE 39 e IEEE 118 barras, e os resultados obtidos se mostraram bastante satisfatórios. Assim, o método proposto é uma ferramenta original e eficaz para a solução do problema de calcular a solução crítica das equações de fluxo de carga de sistemas elétricos de potência. / This work may be divided into two distinct parts. Both of them are new contributions to stability analysis of power systems. In the first part it is proposed a new method to calculate the critical load flow low voltage solutions, and it is the main part of this work. Meanwhile, the last two chapters of this work presents a proposed extended energy function that consider the common load ZIP models. It allows the analysis of angle and voltage stability for power systems subjected to large disturbances. This work proposes a method to calculate the low voltage solutions (LVS) of the load flow equations of an electrical power system. The proposed method identifies the LVS involved in the saddle-node bifurcation leading the power system to a voltage collapse. This solution is known as the critical low voltage solution. In order to perform the proposed calculation, an auxiliary dynamical gradient system is used. It is shown that the equilibrium points of that associated auxiliary dynamical gradient system are the solutions of the load flow equations. In such manner, the paper proposes identifying the critical LVS calculating the equilibrium points of an auxiliary dynamical gradient system. The proposed method was tested on the Stagg 5-bus, on the IEEE 39-bus and on IEEE 118-bus test systems, and the results are presented at the end of the text.

Submitted by isabela.moljf@hotmail.com (isabela.moljf@hotmail.com) on 2017-03-02T12:45:01Z No. of bitstreams: 1 arleilucasdesouzarosa.pdf: 827143 bytes, checksum: 9b9df97bf2f2804c9287dcee04958895 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T19:38:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 arleilucasdesouzarosa.pdf: 827143 bytes, checksum: 9b9df97bf2f2804c9287dcee04958895 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T19:38:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arleilucasdesouzarosa.pdf: 827143 bytes, checksum: 9b9df97bf2f2804c9287dcee04958895 (MD5) Previous issue date: 2009-05-27 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Durante décadas, problemas relacionados à estabilidade de tensão ou, segurança de tensão, têm despertada a atenção crescente de pesquisadores do setor elétrico. O crescimento da economia e o aumento do consumo de energia elétrica, aliados à falta de investimentos nos setores de geração e transmissão, têm levado o sistema elétrico de potência a operar muito próximo de seus limites. Desta forma, a habilidade do sistema em manter um nível operacional satisfatório, após a ocorrência de alguma contingência, pode ficar comprometida. Este trabalho avalia a segurança de tensão através de um método simples, eficiente e rápido computacionalmente, além de propor ações de reforço para melhorar a margem de carregamento do sistema elétrico. A análise da rede é função dos caminhos de transmissão de potência ativa e um modelo matemático muito simples é utilizado. Quanto às ações de reforço, a análise de sensibilidade fornece as barras mais adequadas ao redespacho de potência ativa e reativa. Um processo iterativo é estabelecido com o intuito de recomendar ações de controle e fornecer condições de segurança de tensão menos severas. Os resultados apresentados para um sistema real de 34 barras demonstram a eficácia da metodologia desenvolvida. / Voltage stability or voltage security analysis has motivated an expressive attention of power systems researchers. The economy growth and the increased electric energy consumption, allied to the lack of investments in generation and transmission areas, have led electrical power systems to operate very close to their limits. Therefore, they cannot be able to operate in a secure way after some contingencies. In this work, a simple and fast method evaluates voltage security and proposes conditions to improve the loading margin. System analysis is carried out in terms of active power transmission path. Sensitivity analysis provides the most adequate buses to active and reactive power redispatch. A sequential iterative methodology to reinforce system conditions is presented. The results for a real 34-bus system demonstrate the efficiency of proposed methodology.

Modern power networks incorporate communications and information technology infrastructure into the electrical power system to create a smart grid in terms of control and operation. The smart grid enables real-time communication and control between consumers and utility companies allowing suppliers to optimize energy usage based on price preference and system technical issues. The smart grid design aims to provide overall power system monitoring, create protection and control strategies to maintain system performance, stability and security. This dissertation contributed to the development of a unique and novel smart grid test-bed laboratory with integrated monitoring, protection and control systems. This test-bed was used as a platform to test the smart grid operational ideas developed here. The implementation of this system in the real-time software creates an environment for studying, implementing and verifying novel control and protection schemes developed in this dissertation. Phasor measurement techniques were developed using the available Data Acquisition (DAQ) devices in order to monitor all points in the power system in real time. This provides a practical view of system parameter changes, system abnormal conditions and its stability and security information system. These developments provide valuable measurements for technical power system operators in the energy control centers. Phasor Measurement technology is an excellent solution for improving system planning, operation and energy trading in addition to enabling advanced applications in Wide Area Monitoring, Protection and Control (WAMPAC). Moreover, a virtual protection system was developed and implemented in the smart grid laboratory with integrated functionality for wide area applications. Experiments and procedures were developed in the system in order to detect the system abnormal conditions and apply proper remedies to heal the system. A design for DC microgrid was developed to integrate it to the AC system with appropriate control capability. This system represents realistic hybrid AC/DC microgrids connectivity to the AC side to study the use of such architecture in system operation to help remedy system abnormal conditions. In addition, this dissertation explored the challenges and feasibility of the implementation of real-time system analysis features in order to monitor the system security and stability measures. These indices are measured experimentally during the operation of the developed hybrid AC/DC microgrids. Furthermore, a real-time optimal power flow system was implemented to optimally manage the power sharing between AC generators and DC side resources. A study relating to real-time energy management algorithm in hybrid microgrids was performed to evaluate the effects of using energy storage resources and their use in mitigating heavy load impacts on system stability and operational security.

This thesis deals with the infulence of compensation cabel network on the stability of nearby power source. This issue is topical with the increase in the ratio of cable networks 110 kV in large cities. The work examines the theoretical concept of stability and factors that affect it. Mainly discusses the stability angle rotor of a synchronous machina. The practical part is performed in MODES software, that performs dynamic simulation of the behavior of the model. In this case, it will be behavior of synchronous machine during short-circuit in network at different values of compensation of this network.

[pt] Após a incidência de inúmeros colapsos ocorridos nos sistemas de transmissão de energia devido ao uso extremo das linhas de transmissão, a estabilidade, ou mais adequadamente, a segurança de tensão tornou-se um assunto importante os últimos anos. A correta representação de cargas e de dispositivos de controle de tensão é cada vez mais importante na análise de segurança de tensão do sistema elétrico, em função da sua complexidade crescente e da necessidade de ações operativas mais precisas. A avaliação das condições de segurança de tensão é realizada com base em um modelo linearizado das equações de fluxo de carga, incluindo toda e qualquer equação de controle, e os índices resultantes são calculados a partir de um determinado ponto de operação. Em estudos off-line, este ponto é usualmente proveniente do resultado de um problema de fluxo de carga. É importante que os modelos matemáticos do sistema e seus componentes, de controles e de limites sejam compatíveis nos dois programas computacionais. Estuda-se neste trabalho a modelagem em regime permanente, e a incorporação à função de avaliação da segurança de tensão, de cargas do tipo motor de indução e do controle de tensão por faixa através de capacitores chaveáveis. Aspectos fundamentais da presença de motores de indução e capacitores chaveáveis na avaliação da segurança de tensão são apresentados e discutidos. São mostrados exemplos numéricos de avaliação dos índices de estabilidade de tensão que ilustram a necessidade de uma modelagem realista. / [en] After the incidence of innumerable collapses occurred in the energy transmission systems due to the extreme use of the transmission lines, the voltage stability, or more adequately, the voltage security became an important issue in the last years. The correct representation of loads and voltage control devices is important in the analysis of voltage security of the electrical system, due to its increasing complexity and to the necessity of more accurate and secure operative actions. The voltage security assessment is based on a linear model of the load flow equations, including all and any control equation, and the resulting indexes are calculated for a specified operating point. In off-line studies the operating point is usually obtained from a load flow algorithm. It is important that the system and its components mathematical models, control devices and limits are compatible in both computational programs. This work is concerned with the steady state modelling and its incorporation into the voltage security assessment function, of induction motor type loads and band voltage control by switchable capacitors. Fundamental aspects of induction motors and switchable capacitors in the assessment of voltage security are presented and discussed. Numerical examples of voltage stability assessment indexes are presented to illustrate the necessity of realistic modelling.

[pt] Em todos os sistemas de potência, inclusive o brasileiro, verificam-se os níveis de tensão nos barramentos e de corrente nos ramos de transmissão na presença de contingências durante a operação em tempo real. A lista de contingências inclui a perda de qualquer ramo de transmissão, a perda de alguns pares de ramos e, de menor importância, a perda de geração. As condições de estabilidade de tensão também são checadas nesse momento. Esse trabalho simula eventos em que há perda do controle de tensão devido ao esgotamento da fonte controladora em todas as barras de tensão controlada da rede e verifica seus efeitos sobre a estabilidade de tensão. As simulações realizadas incluem também o evento em que há perda de capacidade de aumentar a geração de potência ativa em todos os geradores. Um método de ordenação pelo grau de severidade do evento sobre a estabilidade de tensão é empregado. Além disso, aproveitam-se os resultados obtidos e determinam-se as tensões e gerações mais influentes sobre a estabilidade de tensão de uma certa barra. Com a finalidade de aumentar a margem de potência dessa certa barra, calculam-se ações de controle preventivas, isto é variações nas tensões e, se necessário, nas gerações ativas. / [en] In all power systems, including the Brazilian one, it is common to check the voltage levels in busbars and current in the transmission branches in presence of contingencies during the real-time operation. The list of contingencies includes loss of any transmission lines, loss of some pairs of branches and, less importantly, loss of power generation. Voltage stability conditions are also checked at that time. This work simulates events in which there is loss of voltage control due to the exhaustion of the control source in all voltage-controlled busbars and verifies its effects on voltage stability. Simulations also include the event which shows loss of capacity to increase the active power generation in all generators. A ranking method is employed to order events by their degree of severity over voltage stability. In addition, the obtained results are used to determine the most influential voltages and generators over the voltage stability of a specific busbar. In order to increase the margin of power of this certain busbar, preventive control actions are calculated by keeping track of variations in voltage and, when necessary, in active power generations.

This Master of Science thesis was written based on the shipbuilder Kockums AB feasibility study regarding the development of an All- Electric Ship for the Swedish Navy. The thesis was aiming at addressing voltage stability issues in a dc system fed by PWM rectifiers operating in parallel when supplying constant power loads. A basic computer model was developed for investigating the influence from various parameters on the system. It was shown that the voltage stability is dependent upon the ability to store energy in large capacitors. It was also shown that a voltage droop must be implemented maintaining load sharing within acceptable limits. Different cases of operation were modelled, faults were discussed, and the principal behaviour of the system during a short-circuit was investigated. It was shown that the short-circuit current is much more limited in this type of system in comparison to an ac system. It was concluded that more research and development regarding the components of the system must be performed.

A power system will experience voltage collapse when the loads increase up to a certain critical limit, where the system physically cannot support the amount of connected load. This point identified as a Saddle- Node Bifurcation (SNB), corresponds to a generic instability of parameterized differential equation models and represents the intersection point where different branches of equilibria meet. At this point the jacobian matrix of the system is singular and the system loses stability bringing the typical scenario of voltage collapse. To prevent voltage instability and collapse, the computation of the closest distance from a present operating point to the saddle-node bifurcation set can be used as a loadability index useful in power system operation and planning. The power margin is determined by applying the iterative or direct method described in [16]. Numerical examples of both methods applied to IEEE 9-bus system and IEEE 39-bus system shows that the iterative method is more reliable although it requires a longer computation time. The stability of the system is negatively affected in two ways when generators reach their reactive power limits: the voltage stability margin is deteriorated, or immediate voltage instability and collapse is produced.