[pt] Os compensadores estáticos são equipamentos modernos que estão sendo cada vez mais utilizados nos sistemas de potência. Existem basicamente três tipos de compensadores estáticos: reatores saturáveis, reator controlado e tiristores (RCT) e capacitor chaveado a tiristores (CCT). Os dois últimos são compostos basicamente por reatores, capacitores, válvulas de tiristores e um sistema de controle. As válvulas de tiristores e o sistema de controle são os itens tecnologicamente mais importantes e representam cerca de 30% do custo. Por isso este trabalho aborda um dos aspectos mais importante do projeto da válvula; as sobretensões de comutação. Estas sobretensões ocorrem repetitivamente nas condições normais de operação e são inerentes às características do equipamento e às características dos tiristores. Este trabalho analisa a influência destas características e apresenta um modelo digital de tiristor que permite representar detalhadamente estas sobre tensões. Finalmente, os resultados obtidos com este modelo e com o programa SPICE são comparados com a análise teórica e com resultados medidos em laboratório. / [en] The Static Var Compensators are modern equipments which are been more and more used in power systems. There is three types of static var compensators; saturable reactors, thyristor controlled reactors and thyristor switched capacitors. The thyristor valves and control system are, from the technological point view, the most important items of the last two types and represent about 30% of its cost. Therefore, this work treats with one of the most important aspects of the design of thyristor’s valves; the commutation overvoltages. These overvoltages occur repeatedly under normal conditions and are caused by intrinsic characteristics of the equipment and by the intrinsic characteristics of the thyristors. This works analyses the influence of these characteristics and presents a thyristor digital model which permits the detailed representation of these overvoltages. Finally, the results obtained with this model and with the digital program SPICE are compared with the theoretical analysis and with measured results.

[pt] Uma das fases importantes no planejamento dos Sistemas Elétricos de Potência é a verificação do seu comportamento dinâmico. Sob este aspecto é conveniente que se tenha uma modelagem mais real possível de todos os componentes do sistema, havendo particular interesse numa boa representação principalmente das máquinas (geradores e síncronos). Ultimamente, os Compensadores Estáticos (SVS) tem sido um elemento valioso no controle da potência reativa dos sistemas Elétricos de EAT. Desta forma, os programas digitais até então utilizados tiveram que ser convenientemente modificados a fim de considerar este novo equipamento. A finalidade deste trabalho é apresentar a representação dos SVS nos programas de estabilidade. O enfoque principal será dados aos SVS controlados a tiristores (TCR, TCT, TSC ou mistos) nos quais há intervenção de sistemas específicos de controle. Com base na modelagem proposta, é feita uma análise da operação dos SVS a tiristores em regime permanente e, em transitório. Conjuntamente com a apresentação dos vários tipos de SVS a tiristores, é introduzida uma metodologia para a determinação de seus valores nominais, suas principais características operativas, fazendo-se, sempre que possível, uma comparação com outros tipos de Compensadores Estáticos e, com os Compensadores Síncronos atualmente em operação. / [en] One of the most important phases of power systems planning, is the examination of its dynamic behavior. It is convenient under this aspect, to have the models of all components pertaining the system, as close as possible to the real conditions of operation being of particular interest a good representation, mainly of the machines (generators and synchronous compensators). Lately, the static compensators (SVS), have been an important component in the control of reactive power for the UHV electrical systems. Due to this fact, the digital programs used until then, had to be conveniently modified so as to consider this new equipment. The purpose of the present work, is to introduce the representation of the SVS in the stability programs. Special care will be give to the SVS controlled by thyristors (TCR, TCT, TSC or mixed), in which the intervention of specific control systems takes place. Based upon the proposed models, an analysis of the operation of the thyristors SVS in permanent and transient regimes is performed. Together with the presentation of various types of thyristors SVS, it is introduced methods to determine nominal values, main operational characteristics, always comparing, when possible, to other types of static compensators, as well as, with the synchronous compensators in operation.

O objetivo principal deste trabalho de Mestrado é avaliar compensadores que tentam diminuir o efeito do atrito estático existente em válvulas de controle. Os compensadores de atrito utilizados neste trabalho foram: CR1, CR2 Knocker, Two-move, controle por modos deslizantes e controle por modos deslizantes integrador. Estes compensadores são implementados em um ambiente industrial (SDCD). Devido ao atrito, o sistema tem um comportamento não-linear, o qual pode afetar o bom rendimento de um controlador PID, sendo que o sistema em malha fechada pode ter oscilações. Então, para obter uma diminuição do efeito do atrito, empregam-se compensadores de atrito. Para implementá-los, é necessário conhecer os parâmetros do atrito existente. Portanto, a primeira parte deste trabalho consiste em uma explicação dos diferentes modelos e métodos que se vai usar neste trabalho. Também foram realizadas simulações das estratégias de controle utilizadas. Após estes tópicos, vai se identificar o modelo do sistema que conta com uma malha de controle de vazão, com o objetivo de auxiliar na sintonia do controlador PID. Depois, introduzem-se os compensadores de atrito, os quais tentam minimizar os índices ITAE (Integrated Time Absolute Error) e IAE (Integrated Absolute Error), bem como o desgaste que se produz nos equipamentos, devido ao uso (excessiva movimentação da haste das válvulas). O objetivo assumido é implementar as estratégias de controle em um software industrial. Os resultados mostraram que os compensadores CR1 e CR2 obtiveram os melhores índices de desempenho e conseguiram compensar o atrito na haste da válvula de controle. / The main objective of this work is to evaluate compensators that try to decrease the static friction effect existent in control valves. The friction compensaters used in this work were: CR1, CR2, Knocker, Two-move, sliding mode control and sliding mode control with integrator. These compensators are implemented in an industrial environment (DCS). Due to friction, the system has a nonlinear behavior, which may affect the good performance of a PID controller, wherein the closed loop system can have oscillations. So to get a decrease in the effect of friction, friction compensators are employed. To implement them, it is necessary to know the parameters of the friction existent. So the first part of this work consists of an explanation of the different models and methods that will be use in this work. Also, simulations were made of the control strategies used. After these topics, it will be identify the system model which has a own control loop, in order to help the PID controller tuning. Then it will be introduced friction compensators, which attempt to minimize the ITAE (Integral Time Absolute Error) and IAE (Integrated Absolute Error), and wear that occurs on the equipment due to the use (excessive movement of the valve stem). The assumed objective is to implement control strategies in industrial software. The results show that the compensators CR1 and CR2 have the best performance indexes and they compensate for the friction in the control valve stem.

O objetivo principal deste trabalho de Mestrado é avaliar compensadores que tentam diminuir o efeito do atrito estático existente em válvulas de controle. Os compensadores de atrito utilizados neste trabalho foram: CR1, CR2 Knocker, Two-move, controle por modos deslizantes e controle por modos deslizantes integrador. Estes compensadores são implementados em um ambiente industrial (SDCD). Devido ao atrito, o sistema tem um comportamento não-linear, o qual pode afetar o bom rendimento de um controlador PID, sendo que o sistema em malha fechada pode ter oscilações. Então, para obter uma diminuição do efeito do atrito, empregam-se compensadores de atrito. Para implementá-los, é necessário conhecer os parâmetros do atrito existente. Portanto, a primeira parte deste trabalho consiste em uma explicação dos diferentes modelos e métodos que se vai usar neste trabalho. Também foram realizadas simulações das estratégias de controle utilizadas. Após estes tópicos, vai se identificar o modelo do sistema que conta com uma malha de controle de vazão, com o objetivo de auxiliar na sintonia do controlador PID. Depois, introduzem-se os compensadores de atrito, os quais tentam minimizar os índices ITAE (Integrated Time Absolute Error) e IAE (Integrated Absolute Error), bem como o desgaste que se produz nos equipamentos, devido ao uso (excessiva movimentação da haste das válvulas). O objetivo assumido é implementar as estratégias de controle em um software industrial. Os resultados mostraram que os compensadores CR1 e CR2 obtiveram os melhores índices de desempenho e conseguiram compensar o atrito na haste da válvula de controle. / The main objective of this work is to evaluate compensators that try to decrease the static friction effect existent in control valves. The friction compensaters used in this work were: CR1, CR2, Knocker, Two-move, sliding mode control and sliding mode control with integrator. These compensators are implemented in an industrial environment (DCS). Due to friction, the system has a nonlinear behavior, which may affect the good performance of a PID controller, wherein the closed loop system can have oscillations. So to get a decrease in the effect of friction, friction compensators are employed. To implement them, it is necessary to know the parameters of the friction existent. So the first part of this work consists of an explanation of the different models and methods that will be use in this work. Also, simulations were made of the control strategies used. After these topics, it will be identify the system model which has a own control loop, in order to help the PID controller tuning. Then it will be introduced friction compensators, which attempt to minimize the ITAE (Integral Time Absolute Error) and IAE (Integrated Absolute Error), and wear that occurs on the equipment due to the use (excessive movement of the valve stem). The assumed objective is to implement control strategies in industrial software. The results show that the compensators CR1 and CR2 have the best performance indexes and they compensate for the friction in the control valve stem.

[pt] Este trabalho envolve o desenvolvimento de um modelo de compensador estático do tipo reator saturado e sua implementação no programa de estabilidade transitória TRANSTAB, implantado no computador CYBER 170-835 da PUC/RJ. O modelo é composto por bancos de capacitores fixos, responsáveis pela geração de reativos, em paralelo com o reator saturado, responsável pela absorção de reativos. São obtidos em primeiro lugar as equações do modelo e, a partir destas, elabora-se o diagrama de blocos a ser implementado no programa. Vários testes (simulações digitais) são realizados utilizando sistemas de potência, sob condição de distúrbio. Os resultados obtidos são então comparados com outros da literatura e a partir daí se comprova a validade do modelo desenvolvido. Com a conclusão deste trabalho, o programa TRANSTAB passa a dispor de dois tipos de compensadores estáticos: Reator Saturado e Reator Controlado por Tiristores. / [en] The model comprises fixed capacitor banks, for the generation of reactive power, in parallel with the saturated reactor, for the absortion of reactive power. The model equations are obtained in first place and from them the block diagram is developed for implementation in the program. Tests are carried out (digital simulations) using power systems under disturbance conditions. The results are then compared with others from the literature to access the validity of the model. With the conclusion of this work the TRANSTAB program stay with two types of static compensators: Saturated Reactor Type and Thyristor Controled Reactor.

[pt] Programas de estabilidade transitória são ferramentas indispensáveis no planejamento e na operação de sistemas de potência. Compensadores estáticos têm por objetivo o controle de tensão em regime permanente e a melhoria da estabilidade transitória e dinâmica. São equipamentos modernos que encontram no sistema de transmissão brasileiro um vasto campo de aplicação. Este trabalho envolveu a implementação de um programa de estabilidade transitória (TRANSTAB) no computador CYBER 170-853 da PUC/RJ e a inclusão neste programa de um modelo de compensadores estáticos tipo reator controlador por tiristores e de uma rotina de geração de relatórios de saída. O TRANSTAB faz uso das mais modernas técnicas de simulação e está fartamente documentado ao longo deste trabalho. São feitas sugestões de inclusão de modelos que visam adequar o programa ao sistema elétrico brasileiro. Foi realizada uma rápida revisão acerca dos tipos, aplicados e princípios de funcionamento dos compensadores estáticos. O seu sistema de controle foi objeto de uma análise mais detalhada principalmente nos aspectos com a sua representação e modelagem em estudos de estabilidade. / [en] A transient stability program is a very important tool for power system planning and operation. Static compensators are designed to provide voltage control on normal operation and to improve the transient and dinamic stability. They are modern equipments with a great field of application on the brazilian transmission system. This work envolves the transient stability program (TRANSTAB) implementation in PUC´s computer (CYBER 170- 835) and the inclusion of a static compensator (Thyristor Controlled Reactor Type) model and a new output printout routine in this program. The TRANSTAB program makes use of the most recent simulation techniques and it is very well documented in this work. Suggestions are made on the inclusion of new equipment models, in order to extend the program modelling capability. A quick review is made on the static compensator types, applications, and functioning basics. Its control system is the object of a more detailed study, mainly on the aspects related to the modelling and representation on stability studies.

Este trabalho analisa a necessidade da aplicação dos compensadores estáticos de reativos em sistemas elétricos industriais e em sistemas de potência. Vários tipos de compensadores de reativos são apresentados e também é feita uma comparação entre eles. O trabalho está centralizado no estudo dos compensadores estáticos tiristorisados, principalmente o Reator Controlado a Tiristores (RCT) e o Capacitor Chaveado a Tiristores (CCT). São discutidas as influências de alguns parâmetros nas formas de onda do RCT. É feita a dedução das equações das componentes harmônicas de corrente e tensão do RCT. São também analisados os efeitos das harmônicas e os meios de atenuá-las, de modo a mantê-las dentro de níveis razoáveis. Modelos para a simulação de um RCT, para vários tipos de fenômenos em circuitos monofásicos e trifásicos, são apresentados. São Mostrados gráficos e tabelas de algumas simulações utilizando o programa CSMP (Continuous System Modeling Program) e um programa desenvolvido ciclo a ciclo, utilizando o método passo a passo. As simulações permitem avaliar com razoável precisão o comportamento do RCT associado a um capacitor fixo. Sugestões de estudos afins são apresentadas no final do trabalho. / This work analyses the need of using Var systems in industrial and in power electric systems. Various types of VAr systems are presented and also a comparison among them is done. The work is centralized in the study of thyristor static VAr systems. The thyristor controlled reactor (TCR) and the thyristor switched capacitor (TSC) are analysed in more details. Parametric influences in the wave forms of TCR are discussed. TCR voltage and current harmonic equations are deduced. Harmonic effects and also the methods of producing their attenuation are analysed. TCR simulation models for multiple types of phenomena in one phase and three phase circuits are presented. Some graphics and tables using the CSMP (Continuous System Modeling Program), and a cycle by cycle program that uses the step method are showed. The simulations can evaluate with a reasonable precision the behavior of a TCR with a fixed capacitor (FC). Suggestions of other studies are presented at the end of the work.

Este trabalho analisa a necessidade da aplicação dos compensadores estáticos de reativos em sistemas elétricos industriais e em sistemas de potência. Vários tipos de compensadores de reativos são apresentados e também é feita uma comparação entre eles. O trabalho está centralizado no estudo dos compensadores estáticos tiristorisados, principalmente o Reator Controlado a Tiristores (RCT) e o Capacitor Chaveado a Tiristores (CCT). São discutidas as influências de alguns parâmetros nas formas de onda do RCT. É feita a dedução das equações das componentes harmônicas de corrente e tensão do RCT. São também analisados os efeitos das harmônicas e os meios de atenuá-las, de modo a mantê-las dentro de níveis razoáveis. Modelos para a simulação de um RCT, para vários tipos de fenômenos em circuitos monofásicos e trifásicos, são apresentados. São Mostrados gráficos e tabelas de algumas simulações utilizando o programa CSMP (Continuous System Modeling Program) e um programa desenvolvido ciclo a ciclo, utilizando o método passo a passo. As simulações permitem avaliar com razoável precisão o comportamento do RCT associado a um capacitor fixo. Sugestões de estudos afins são apresentadas no final do trabalho. / This work analyses the need of using Var systems in industrial and in power electric systems. Various types of VAr systems are presented and also a comparison among them is done. The work is centralized in the study of thyristor static VAr systems. The thyristor controlled reactor (TCR) and the thyristor switched capacitor (TSC) are analysed in more details. Parametric influences in the wave forms of TCR are discussed. TCR voltage and current harmonic equations are deduced. Harmonic effects and also the methods of producing their attenuation are analysed. TCR simulation models for multiple types of phenomena in one phase and three phase circuits are presented. Some graphics and tables using the CSMP (Continuous System Modeling Program), and a cycle by cycle program that uses the step method are showed. The simulations can evaluate with a reasonable precision the behavior of a TCR with a fixed capacitor (FC). Suggestions of other studies are presented at the end of the work.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-07-31T13:11:15Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ControladoresRobustosTipo.pdf: 1406069 bytes, checksum: 94652acee018b9469e9601f509fb6582 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-09-04T15:03:43Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ControladoresRobustosTipo.pdf: 1406069 bytes, checksum: 94652acee018b9469e9601f509fb6582 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-04T15:03:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ControladoresRobustosTipo.pdf: 1406069 bytes, checksum: 94652acee018b9469e9601f509fb6582 (MD5) Previous issue date: 2014 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O objetivo principal desta dissertação é apresentar uma solução eficiente, prática e de simples implementação para um problema recorrente em projetos de controladores robustos multivariáveis do tipo LQG/LTR: a elevada ordem que estes controladores podem obter dependendo das complicações apresentadas pelo sistema dificultando para que este possa ser controlado de maneira satisfatória. Para que esta meta seja alcançada, é apresentada uma técnica de redução do modelo de sistemas com metodologia bastante descomplicada, dispensando qualquer necessidade de complexas programações para a sua utilização. Esta metodologia porém, é somente aplicável a uma classe bastante específica de sistema. Em suma, o sistema deve possuir variáveis de estado desacopladas do restante do sistema, ou seja, variáveis que não sofram influências de outras e que também não provoquem grande efeito nas saídas do sistema. Foi escolhido um sistema multivariável de sexta ordem, com duas entradas e duas saídas para que a técnica de redução de ordem de modelo seja testada. Este sistema possui as características especiais mencionadas anteriormente bem como exige o projeto de compensador dinâmico e a adição de integradores às suas saídas para que seja controlado adequadamente. Este trabalho pretende apresentar o procedimento de todo o projeto mencionado, desde a obtenção de um modelo de ordem reduzida até a implementação do controlador LQG/LTR. Em seguida, o controlador obtido é testado através de diversas simulações e os resultados encontrados são discutidos para a avaliação da eficácia e da praticidade do método proposto para obtenção de controladores de ordem reduzida. / This thesis’ main goal is to introduce an efficient, practical and easy to implement solution to a recurring problem in projects of LQG/LTR multivariable robust controllers: the high order these controllers may obtain depending on the complications presented by the system hampering its control in a satisfactory way. For this goal to be achieved, a system model reduction technique with very simple methodology is introduced, dispensing any needs of complex programming for its use. This methodology however, is only applicable to a very specific class of system. Summarizing, the system must have state variables decoupled from the rest of the system, that is, variables that don’t not influenced by others and that also don’t cause major effects on the system’s outputs. It was chosen a sixth order multivariable system having two inputs and two outputs for the model order reduction be tested. This system has the special characteristics mentioned before and also demands a dynamic compensator project as well as the integrators addition to its outputs so it can be controlled adequately. This text intends to show the procedure for the whole project, since the reduced order model achievement to the LQG/LTR controller implementation. Then, the obtained controller is tested through several simulations and the attained results are discussed for effectiveness and practicality evaluation of the proposed method for reduced order controller project.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-28T23:11:21Z No. of bitstreams: 1 MARCOS BATISTA KETZER – TESE (PPGEEI) 2017.pdf: 19636979 bytes, checksum: 464380f92f3fb477252ab2b6f6cd2655 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-28T23:11:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARCOS BATISTA KETZER – TESE (PPGEEI) 2017.pdf: 19636979 bytes, checksum: 464380f92f3fb477252ab2b6f6cd2655 (MD5) Previous issue date: 2017-01-30 / Esta tese de doutorado apresenta as contribuições realizadas no desenvolvimento de controladores eletrônicos modulados por largura de pulso para compensadores estáticos de potência aplicados na mitigação de. componentes harmônicas de tensão e corrente. Entre as novidades das técnicas aqui apresentadas, destacam-se as seguintes características: maior integração viabilizada pela redução do número de sensores para operação, e projeto robusto, considerando modelagem e sintonia, otimizando tolerância às incertezas e imunidade ao ruído nas malhas de realimentação. As soluções apresentadas contribuem para redução de custos de fabricação, assim como manutenção dos equipamentos, uma vez que o conjunto de componentes eletrônicos necessários na composição do equipamento é reduzida. Dentro do apresentado contexto, esta tese é dividida em três partes, agrupando um conjunto de contribuições distintas em cada caso, exploradas com diferentes topologias de circuitos. Na primeira e segunda parte são apresentadas duas soluções de controladores sensorless, o primeiro baseado na orientação dos sinais, e o segundo baseado na modulação. Enquanto a primeira e segunda parte focam na realização digital dos controladores, na terceira parte é apresentada uma solução em circuito integrado analógico-misturado, com potencial aplicação em sistemas de alta densidade. Também na terceira parte é discutida uma solução considerando circuitos de gerenciamento de energia com dois estágios de conversão. A fim de demonstrar a viabilidade técnica das contribuições, simulações numéricas e resultados experimentais obtidos em laboratório a partir de protótipos são apresentados. Análises da operação em regime permanente e transitórios são discutidos, mostrando que um desempenho satisfatório e estável é obtido através das técnicas propostas. / This doctoral dissertation presents a set of contributions considering the development of pulse width modulated electronic controllers for static power compensators, applied in the mitigation of harmonic components of voltage and current. Among the novelties of the presented techniques, the following charact.eristics are highlighted: greater integration made possible with the reduction of the number of sensors, and robust design, considering the modeling and tuning, optimizing the tolerance for uncertainties and noise immunity in the feedback schemes. The presented solutions contribute for the reduction of manufacturing costs, since the set of electronic components for the equipment composition is reduced. In the presented context, this thesis is divided in three parts, grouping a set of distinct contributions in each case, which is explored with different circuit topologies. In the first and second parts two main solutions for sensorless controllers are presented, the first based in the signals orientations, and the second in the modulation. Whereas the first and second part focuses on the digital realization of the controllers, the third part presents an analog-mixed integrated circuit solution, with potential applications in high-density systems. In addition, the third part discusses a solution considering power management circuits with two-stage conversion. In order to demonstrate the technical feasibility of the presented contributions, numerical simulations and experimental results obtained through laboratory prototypes are presented. Analysis of the steady-state regime and transients are discussed, showing that a satisfactory performance is obtained through the proposed techniques.