Made available in DSpace on 2018-08-02T00:02:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_4743_Tese Flávio Duarte Couto Oliveira20161129-121045.pdf: 22560177 bytes, checksum: 86691b577fe6f3610a134faeb939e918 (MD5) Previous issue date: 2016-09-13 / No mundo moderno, a produção de energia elétrica é fundamental para o desenvolvimento industrial e econômico de um país. O crescimento econômico aliado à cescente conscientização ambiental tem aumentado a preocupação com as fontes de energia. Diante disso, há um grande estimulo a utilização de fontes alternativas. Dentre essas fontes alternativas, uma das mais promissoras é a energia eólica, que se tornou uma fonte de produção viável e competitiva. Entre as tecnologias de geradores eólicos, uma das mais utilizadas é a de Gerador de Indução Duplamente Alimentado - DFIG, adequado à operação com turbinas de velocidade variável. Essa tecnologia, DFIG, passou a ser amplamente utilizada por alguns países em seus sistemas elétricos. Como consequência, esses países foram obrigados a definir critérios de sua interconexão com a rede cada vez mais rígidos. Um dos principais critérios exige que a usina permaneça conectada à rede durante um afundamento momentâneo de tensão - AMT. Além disso, alguns códigos, como da Alemanha e Espanha, exigem que o sistema forneça potência reativa à rede durante o AMT para reduzir seu efeito. Neste trabalho é realizado um estudo teórico da influência dos AMTs em um sistema de conversão de energia eólica utilizando a tecnologia DFIG. Após isso, é apresentado uma nova solução para aumentar a suportabilidade da turbina durante um AMT equilibrado. Um dispositivo que incorpora limitadores de corrente supercondutores-LCS é proposto, sendo analisado em diferentes configurações e estratégias e é comparado com as soluções convencionais. A validação, feita por simulação computacional, utilizou o software PSCAD/EMTDC da Manitoba-HVDC. Os resultados de simulação mostram o bom desempenho do dispositivo aumentando a robustez do DFIG.

To increase the allowable capacity of wind generation and system reliability of distribution system for islanding operation, an actual Taipower feeder has been selected for computer simulation. The voltage enhancement of distribution feeders with fixed speed wind generator has been obtained by using the static synchronous compensator(STATCOM). The model of Doubly-Fed induction generator(DFIG) in Matlab/Simulink has also been applied in the feasibility study of islanding operation for Taipower feeder. The critical clearing time of fault contingency is solved by considering the low voltage ride through (LVRT) capability of wind generators (WG) and the CBEMA curve of sensitive loads. In this way, feeder circuit breaker(CB) can be tripped in time to achieve islanding operation of distribution feeders without causing the tripping of WG due to voltage disturbance for the system fault contingency. To restore the stable operation of distribution feeders after being isolated from the rest of the power system, an adaptive load shedding scheme has been presented to disconnect the proper amount of system loading to achieve the balance of wind power generation and load demand according to the variations of feeder load profile and wind speed. It is found that system voltage sag problem due to severe fault contingency can be mitigated effectively by using the STATCOM for the support of low voltage ride through capability of WG. With the proper design of protection relay settings for feeder CB tripping and load shedding scheme, the WG and critical loads can be prevented from tripping during transient disturbance to ensure the successful islanding operation of distribution system.

Subsynchronous Resonance (SSR) is one of the major obstacles for the wide spread of high degrees (60% and higher) of series capacitor compensation. Recently, a new obstacle, namely Subsynchronous Interaction (SSI) has been added to the list after the Zorillo Gulf wind farm incident in Texas in October 2009. SSI is due to the interaction between large Doubly-Fed Induction Generator (DFIG)-based wind farms and series capacitor compensated transmission systems. In integrated power systems incorporating series capacitor compensated transmission lines and high penetration of wind energy conversion systems, especially DFIG-based wind farms, SSR and SSI could occur concurrently as a result of some system contingences. Therefore, mitigating SSR and SSI is an important area of research and development targeting at developing practical and effective countermeasures. This thesis reports the results of digital time-domain simulation studies that are carried out to investigate the potential use of Full-Scale Frequency Converter (FFC) and DFIG-based wind farms for simultaneous mitigation of SSR and SSI. This is achieved through introducing supplemental control signals in the reactive power control loops of the grid side converters of the DFIG and/or the FFC wind turbines. In this context, two supplemental controls designated as Supplemental Controls 1 and 2 are examined. Supplemental Control 1 introduces a signal in the grid side converter of the FFC wind turbines to damp both SSR and SSI oscillations. On the other hand, Supplemental Control 2 introduces a signal in the grid side converter of the FFC wind turbines for damping SSR oscillations and another signal in the grid side converters of the DFIG wind turbines for damping SSI oscillations. Time-domain simulations are conducted on a benchmark model using the ElectroMagnetic Transients program (EMTP-RV). The results of the investigations have demonstrated that the presented two supplemental controls are very effective in mitigating the SSR and SSI phenomena at different system contingencies and operating conditions.

El objetivo del presente trabajo de título es analizar el diseño de un generador trifásico doblemente alimentado, enfocándose en los aspectos constructivos que determinan su comportamiento eléctrico, incluyendo métodos de control que se utilizan habitualmente para aplicaciones en aerogeneradores. Se comienza desarrollando el modelo de circuito monofásico equivalente, que permite estudiar las propiedades de este tipo de generador, especificando las convenciones de signos empleadas y las ecuaciones respectivas. Luego, se entregan las principales relaciones electromecánicas, con el fin de obtener los parámetros del modelo circuital, resistencias y reactancias, a partir de las dimensiones físicas y materiales constituyentes de la máquina. A continuación se describe el algoritmo de diseño implementado para los análisis posteriores, estableciendo criterios de evaluación de sus características eléctricas en aplicaciones eólicas para sistemas de generación con potencia nominal del orden de 2 MW. Finalmente se desarrolla la metodología de diseño para la determinación de las dimensiones más apropiadas del generador, la cual se ilustra para un caso definido de aplicación eólica. Se concluye que las estrategias de control implementadas en generadores eólicos doblemente alimentados son decisivas a la hora de determinar los aspectos constructivos del diseño, por lo cual se señalan los parámetros más relevantes y analiza su efecto en los modelos desarrollados.

Com o advento da geração distribuída, a operação do sistema de distribuição tem se modificado. Características dinâmicas que antes eram observadas somente no sistema de transmissão agora também podem estar presentes em sistemas de distribuição, como por exemplo, problemas relacionados às oscilações eletromecânicas. Devido à perspectiva de crescimento de conexões de geradores eólicos, fica evidente a possibilidade do aumento na produção de energia elétrica através de geradores assíncronos distribuídos. No sistema de distribuição estão presentes vários tipos de cargas, sendo uma das mais representativas, as cargas do tipo motor de indução. Este tipo de carga, na ocorrência de curto-circuitos no sistema pode provocar atraso na recuperação da tensão do sistema, conhecido como problema Fault Induced Delayed Voltage Recovery (FIDVR). Depois que a falta é eliminada, a tensão pode permanecer em níveis significativamente reduzidos durante vários segundos. Esse atraso de tempo é geralmente causado pela alta concentração de motores de indução. Portanto, torna-se necessária a realização de estudos para analisar os impactos que esse tipo de fonte de energia pode trazer para o sistema elétrico bem como o impacto das cargas sobre o gerador eólico. Assim, este trabalho faz uma análise da influência de cargas do tipo motor de indução sobre o comportamento dinâmico de um DFIG conectado a um sistema de distribuição. Um gerador síncrono convencional também foi utilizado para fazer uma comparação com o DFIG. Como os dois geradores estão atuando com regulação de tensão, seria intuitivo pensar que as respostas dos dois na presença de cargas do tipo motor de indução, fossem semelhantes. No entanto, este trabalho mostra que diante do mesmo cenário, as máquinas têm comportamentos diversos e a reação é diferente dependendo do tipo de carga conectada ao sistema. Foi verificado que, quando existe o problema FIDVR devido à presença de cargas do tipo motor de indução, as oscilações na velocidade do DFIG são amplificadas. Já para o gerador síncrono, a carga do tipo motor de indução possui pouca influência nas oscilações eletromecânicas. / With the advent of distributed generation, the operation of the distribution system has been modified. Dynamic characteristics that were previously observed only in the transmission system can now also be present in distribution systems, such as problems related to electromechanical oscillations. Due to growth prospects of wind generator connections, it is evident the possibility of increasing the production of electricity through asynchronous distributed generators. In the distribution system several types of loads are present, being one of the most representative the loads of type induction motor. This type of load, the occurrence of short-circuits in the system can cause delay in the recovery of the system voltage, known as Fault Induced Delayed Voltage Recovery (FIDVR) problem. After the fault is eliminated, the voltage can remain at significantly reduced levels for several seconds. This time delay is usually caused by the high concentration of induction motors. So, it is necessary to perform studies to analyze the impacts that this type of energy source can bring to the electrical system as well as the impact of the loads on the wind generator. Thus, this thesis makes an analysis of the influence of induction motor loads on the dynamic behavior of a DFIG connected to a distribution system. A conventional synchronous generator was also used to make a comparison with the DFIG. As the two generators are working with voltage regulation, it would be intuitive to think that the responses of the two in the presence of induction motor loads would be similar. However, this thesis shows that in the same scenario, the machines have different behaviors and the reaction is different according to the type of load connected to the system. It was verified that when there is the FIDVR problem due to the presence of the induction motor, the oscillations in the speed of the DFIG are amplified. For the synchronous generator, the induction motor has little influence on the electromechanical oscillations.

Este trabalho propõe a análise de curtos-circuitos trifásicos em geradores de indução duplamente alimentados (DFIG Doubly Fed Induction Generator). Os DFIGs voltam à pauta de hidrogeração devido aos recentes investimentos em usinas hidrelétricas reversíveis com velocidade variáveis empregando DFIGs. Esta configuração de geração, que permite velocidade do eixo diferente da frequência da rede, também é uma opção para usinas hidrelétricas convencionais, trazendo benefícios em termos de eficiência energética, estabilidade e otimização do sistema de potência. As pesquisas envolvendo este tipo de gerador tem se concentrado em aplicações para energia eólica. Os estudos são focados em aspectos de controle e otimização da geração não havendo muitos trabalhos voltados ao estudo de curto-circuito do ponto de vista da máquina principalmente relativos à solução analítica. Os trabalhos voltados a transitórios tratam em geral de afundamentos de tensão na linha de transmissão e metodologias para manter o gerador conectado ao sistema durante estes transitórios. Na área de hidrogeração, na maioria dos casos, os estudos tratam de aspectos de controle, de otimização da operação e de ganhos para o sistema de potência quando do uso do DFIG. Assim, faz-se necessário aumentar a gama de estudos do comportamento desses geradores frente a transientes elétricos, mais especificamente a curtos-circuitos. Para o estudo de transientes do curto-circuito trifásico foi desenvolvida a solução analítica e um modelo baseado no proposto por Krause (KRAUSE, 2002) para simulação em Simulink do Matlab para comparação de resultados. / This work proposes the analysis of three-phase short circuit on doubly fed induction generator, DFIG. This generator is again a subject of study for hydrogeneration as per recent investments on variable-speed Pumped Storage Power Plants. This configuration, which allows asynchronous shaft speed, is also an alternative for conventional hydro power plants, providing improvements on energy efficiency and stability and optimization of power system. Current studies on this subject are focused on wind power applications, covering mostly control and generation optimization aspects while there aren\'t so many studies on short-circuit especially with analytical solution. Electrical transient studies are usually covering voltage dips or sags on transmission line and associated methods to maintain power unit connected to power system during such. The researches on hydro power are also about control, operational optimization and power system improvements when DFIGs are installed. Thus, it is necessary to contribute to research regarding behavior of such generators under electrical transient conditions, more specifically under short circuits. The analytical equation for three-phase short circuit was developed as well the electric model based on the one proposed by Krause (KRAUSE, 2002) for simulations on Simulink of Matlab.

Com o advento da geração distribuída, a operação do sistema de distribuição tem se modificado. Características dinâmicas que antes eram observadas somente no sistema de transmissão agora também podem estar presentes em sistemas de distribuição, como por exemplo, problemas relacionados às oscilações eletromecânicas. Devido à perspectiva de crescimento de conexões de geradores eólicos, fica evidente a possibilidade do aumento na produção de energia elétrica através de geradores assíncronos distribuídos. No sistema de distribuição estão presentes vários tipos de cargas, sendo uma das mais representativas, as cargas do tipo motor de indução. Este tipo de carga, na ocorrência de curto-circuitos no sistema pode provocar atraso na recuperação da tensão do sistema, conhecido como problema Fault Induced Delayed Voltage Recovery (FIDVR). Depois que a falta é eliminada, a tensão pode permanecer em níveis significativamente reduzidos durante vários segundos. Esse atraso de tempo é geralmente causado pela alta concentração de motores de indução. Portanto, torna-se necessária a realização de estudos para analisar os impactos que esse tipo de fonte de energia pode trazer para o sistema elétrico bem como o impacto das cargas sobre o gerador eólico. Assim, este trabalho faz uma análise da influência de cargas do tipo motor de indução sobre o comportamento dinâmico de um DFIG conectado a um sistema de distribuição. Um gerador síncrono convencional também foi utilizado para fazer uma comparação com o DFIG. Como os dois geradores estão atuando com regulação de tensão, seria intuitivo pensar que as respostas dos dois na presença de cargas do tipo motor de indução, fossem semelhantes. No entanto, este trabalho mostra que diante do mesmo cenário, as máquinas têm comportamentos diversos e a reação é diferente dependendo do tipo de carga conectada ao sistema. Foi verificado que, quando existe o problema FIDVR devido à presença de cargas do tipo motor de indução, as oscilações na velocidade do DFIG são amplificadas. Já para o gerador síncrono, a carga do tipo motor de indução possui pouca influência nas oscilações eletromecânicas. / With the advent of distributed generation, the operation of the distribution system has been modified. Dynamic characteristics that were previously observed only in the transmission system can now also be present in distribution systems, such as problems related to electromechanical oscillations. Due to growth prospects of wind generator connections, it is evident the possibility of increasing the production of electricity through asynchronous distributed generators. In the distribution system several types of loads are present, being one of the most representative the loads of type induction motor. This type of load, the occurrence of short-circuits in the system can cause delay in the recovery of the system voltage, known as Fault Induced Delayed Voltage Recovery (FIDVR) problem. After the fault is eliminated, the voltage can remain at significantly reduced levels for several seconds. This time delay is usually caused by the high concentration of induction motors. So, it is necessary to perform studies to analyze the impacts that this type of energy source can bring to the electrical system as well as the impact of the loads on the wind generator. Thus, this thesis makes an analysis of the influence of induction motor loads on the dynamic behavior of a DFIG connected to a distribution system. A conventional synchronous generator was also used to make a comparison with the DFIG. As the two generators are working with voltage regulation, it would be intuitive to think that the responses of the two in the presence of induction motor loads would be similar. However, this thesis shows that in the same scenario, the machines have different behaviors and the reaction is different according to the type of load connected to the system. It was verified that when there is the FIDVR problem due to the presence of the induction motor, the oscillations in the speed of the DFIG are amplified. For the synchronous generator, the induction motor has little influence on the electromechanical oscillations.

Este trabalho propõe a análise de curtos-circuitos trifásicos em geradores de indução duplamente alimentados (DFIG Doubly Fed Induction Generator). Os DFIGs voltam à pauta de hidrogeração devido aos recentes investimentos em usinas hidrelétricas reversíveis com velocidade variáveis empregando DFIGs. Esta configuração de geração, que permite velocidade do eixo diferente da frequência da rede, também é uma opção para usinas hidrelétricas convencionais, trazendo benefícios em termos de eficiência energética, estabilidade e otimização do sistema de potência. As pesquisas envolvendo este tipo de gerador tem se concentrado em aplicações para energia eólica. Os estudos são focados em aspectos de controle e otimização da geração não havendo muitos trabalhos voltados ao estudo de curto-circuito do ponto de vista da máquina principalmente relativos à solução analítica. Os trabalhos voltados a transitórios tratam em geral de afundamentos de tensão na linha de transmissão e metodologias para manter o gerador conectado ao sistema durante estes transitórios. Na área de hidrogeração, na maioria dos casos, os estudos tratam de aspectos de controle, de otimização da operação e de ganhos para o sistema de potência quando do uso do DFIG. Assim, faz-se necessário aumentar a gama de estudos do comportamento desses geradores frente a transientes elétricos, mais especificamente a curtos-circuitos. Para o estudo de transientes do curto-circuito trifásico foi desenvolvida a solução analítica e um modelo baseado no proposto por Krause (KRAUSE, 2002) para simulação em Simulink do Matlab para comparação de resultados. / This work proposes the analysis of three-phase short circuit on doubly fed induction generator, DFIG. This generator is again a subject of study for hydrogeneration as per recent investments on variable-speed Pumped Storage Power Plants. This configuration, which allows asynchronous shaft speed, is also an alternative for conventional hydro power plants, providing improvements on energy efficiency and stability and optimization of power system. Current studies on this subject are focused on wind power applications, covering mostly control and generation optimization aspects while there aren\'t so many studies on short-circuit especially with analytical solution. Electrical transient studies are usually covering voltage dips or sags on transmission line and associated methods to maintain power unit connected to power system during such. The researches on hydro power are also about control, operational optimization and power system improvements when DFIGs are installed. Thus, it is necessary to contribute to research regarding behavior of such generators under electrical transient conditions, more specifically under short circuits. The analytical equation for three-phase short circuit was developed as well the electric model based on the one proposed by Krause (KRAUSE, 2002) for simulations on Simulink of Matlab.

Ingeniero Civil Eléctrico / Altas tasas de contaminación y procesos productivos poco sustentables han alterado de manera significativa el medio ambiente. Para atenuar este efecto, un gran número de países ha decidido aumentar las fuentes de energía renovables en sus matrices energéticas. Debido a esto y a la baja de los costos de inversión, la penetración de energía eólica ha tenido un alza sostenida en los sistemas eléctricos de potencia durante los últimos años, en los que la industria ha privilegiando el uso de aerogeneradores de velocidad variable. El objetivo general de este trabajo es revisar diferentes opciones de control de potencia activa y reactiva en aerogeneradores basados en generadores de inducción doblemente alimentados (DFIG), focalizando el estudio en estrategias de control de potencia activa. Para lograr esto, se realiza en primer lugar una investigación en la literatura especializada de los principales aspectos referentes al control de potencia activa y reactiva de este tipo de aerogeneradores. Posteriormente, en la plataforma MATLAB/Simulink, se implementan dos modelos dinámicos de aerogenerador con DFIG, uno equipado con ángulo de paso variable y el otro con ángulo de paso fijo. El control de potencia activa, en la región de velocidades de viento que están por debajo de la velocidad de viento nominal, lo efectúan bajo dos esquemas distintos de seguimiento del punto de extracción de máxima potencia (MPPT). La limitación de potencia para vientos por sobre la velocidad de viento nominal, la llevan a cabo a través del control del ángulo de paso y por pérdida aerodinámica asistida por control de velocidad. Una de las principales conclusiones es que los aerogeneradores con DFIG con limitación de potencia por pérdida aerodinámica asistida por control de velocidad deben tolerar torques considerablemente mayores que los que poseen ángulo de paso variable. Además, la calidad de la potencia generada a velocidades de viento sobre la nominal es mejor en este último. Por otro lado, se concluye que existe un compromiso entre la eficiencia y las cargas a las cuales se ve sometido el aerogenerador al considerar un esquema MPPT basado en la regulación de velocidad del rotor. Además, dependiendo del ajuste de sus controladores, este esquema puede lograr un mejor seguimiento del coeficiente de potencia óptimo, en comparación con un esquema MPPT que utiliza la velocidad del rotor para determinar la referencia de potencia activa.

Abstract Energy is one of the most important factors that continue to influence the shape of civilization in the 21st Century. The cost and availability of energy significantly impacts our quality of life, the health of national economies and the stability of our environment. In recent years there has been a significant global commitment to develop clean and alternative forms of energy resources and it is envisioned that by 2020 10% of world energy will be supplied from renewable resources, and there is an expectation that this value will grow to 50% by 2050. Among renewable energy resources, wind generation technology has matured considerably, and wind is fairly distributed around the globe and therefore available to world communities. In the last decade, wind generation has been the fastest growing energy source globally. However more penetration of wind energy into existing power networks raises concern for power system operators and regulators. Traditionally wind energy convertors do not participate in frequency regulation or Automatic Generation Control (AGC) services, and therefore large penetration of wind power into the power systems can result in a reduction of total system inertia and robustness of the frequency response to the disturbances. The research presented in this thesis covers some of the operational and design aspects of frequency control and AGC services in power systems with mixed generation resources. The thesis examines the operation of the Doubly Fed Induction Generator (DFIG) with a modified inertial loop control considering single-area and two-area frequency control, both primary control and AGC. The thesis presents new, small-perturbation, linear, dynamic, mathematical models for the simulation of primary regulation services and AGC services for single-area and two-area power systems with a mix of conventional and non-conventional DFIG-based wind generators. In order to improve the performance of the frequency regulation and AGC services of the above systems, a parameter optimization technique based on the minimization of the Integral of Squared Errors (ISE) is applied to determine the optimal settings for the proportional-integral (PI) controller gains of the DFIG machines. The thesis presents analytical studies with various perturbations to demonstrate the effectiveness and participation of DFIG-based wind generators in frequency support services and draws some important conclusions. Variation in DFIG penetration levels, and wind speed levels (strong wind and weak wind) on system frequency control performance, has also been examined in the thesis.