This thesis presents an adaptive excitation controller of power systems. The control law is derived by using model reference adaptive control (MRAC) or adaptive pole placement control (APPC) and an equilibrium tracking mechanism is implemented to obtain equilibrium. By our approaches, system damping improvement is achieved to increase loadability as well as strengthen stability properties.

This diploma thesis deals with the creation measuring instruments and program for controlling model hydropower plant intended for laboratory use. The first step is to improve the mechanical performance of the original model of hydroelectric power. The second step is to select a revive measuring instruments for electric values of the plant. The third step is to create a program for displaying electrical parameters and control the plant. The final step was re-measuring the operating characteristics of the generator model hydropower plant.

A conexão de geradores em sistemas de distribuição, usualmente chamados de geradores distribuídos, traz novos aspectos técnicos que devem ser analisados pelas empresas distribuidoras, uma vez que os dispositivos de proteção e controle, bem como as técnicas de planejamento e otimização da operação destes sistemas consideram um sistema radial, ou seja, sem a presença de geradores. Em se tratando de geradores síncronos, sabe-se que os sistemas de excitação podem ser equipados com meios para o ajuste automático de tensão, potência reativa ou fator de potência, sendo que três diferentes modos de controle podem ser aplicados a geradores síncronos: regulação de tensão, regulação de potência reativa ou fator de potência e controle de potência reativa ou fator de potência. Ainda, sabe-se que não há um consenso entre as empresas distribuidoras de energia sobre qual o melhor modo de controle destas máquinas, e na maioria dos casos a estratégia de controle de excitação é definida através de um acordo operativo entre a empresa de distribuição de energia e o produtor independente ou autoprodutor que opera o gerador distribuído. Neste contexto, esta dissertação de mestrado tem como objetivo apresentar contribuições com relação à avaliação da estabilidade transitória de geradores síncronos conectados em sistemas de distribuição, avaliando o impacto que os diferentes modos de controle de excitação podem ocasionar, em diferentes condições de operação do sistema. Como parâmetro principal de análise tem-se o tempo crítico de eliminação de falta, obtido através de exaustivas simulações dinâmicas utilizando dados de um sistema real e considerando diferentes condições de operação do sistema, sendo estas: diferentes modos de controle da geração distribuída, modificação do ganho proporcional do controlador de fator de potência, diferentes pontos de operação da geração distribuída, diferentes cenários de carregamento do sistema e diferentes potências de geração. / The connection of generators in distribution systems, commonly called distributed generation, brings new technical issues that must be analyzed by the utilities, since protection and control devices, as well as techniques for system planning and operation optimizing consider radial systems, i.e. without the presence of generators. In the case of synchronous generators, it is known that the excitation systems can be equipped with means for automatic adjustment of voltage, reactive power or power factor, and three different control modes can be applied to synchronous generators: voltage regulation, reactive power or power factor regulation and reactive power or power factor control. It is also known that there is no consensus among the power distribution companies about which is the best control mode for use in these machines, and in most cases the excitation control strategy is defined by an operating agreement between the company and the energy producer that operates the distributed generator. In this context, this work aims to provide contributions about the transient stability of synchronous generators connected to distribution systems, evaluating the impacts that different control modes may result in different system operating conditions. The main analysis parameter is the critical clearing fault time, obtained through extensive simulations using real system data. The different system operating conditions considered in the simulations are: different control modes, variation of the power factor controller proportional gain, different operating points of the distributed generation, different system loadings and power generation.

A conexão de geradores em sistemas de distribuição, usualmente chamados de geradores distribuídos, traz novos aspectos técnicos que devem ser analisados pelas empresas distribuidoras, uma vez que os dispositivos de proteção e controle, bem como as técnicas de planejamento e otimização da operação destes sistemas consideram um sistema radial, ou seja, sem a presença de geradores. Em se tratando de geradores síncronos, sabe-se que os sistemas de excitação podem ser equipados com meios para o ajuste automático de tensão, potência reativa ou fator de potência, sendo que três diferentes modos de controle podem ser aplicados a geradores síncronos: regulação de tensão, regulação de potência reativa ou fator de potência e controle de potência reativa ou fator de potência. Ainda, sabe-se que não há um consenso entre as empresas distribuidoras de energia sobre qual o melhor modo de controle destas máquinas, e na maioria dos casos a estratégia de controle de excitação é definida através de um acordo operativo entre a empresa de distribuição de energia e o produtor independente ou autoprodutor que opera o gerador distribuído. Neste contexto, esta dissertação de mestrado tem como objetivo apresentar contribuições com relação à avaliação da estabilidade transitória de geradores síncronos conectados em sistemas de distribuição, avaliando o impacto que os diferentes modos de controle de excitação podem ocasionar, em diferentes condições de operação do sistema. Como parâmetro principal de análise tem-se o tempo crítico de eliminação de falta, obtido através de exaustivas simulações dinâmicas utilizando dados de um sistema real e considerando diferentes condições de operação do sistema, sendo estas: diferentes modos de controle da geração distribuída, modificação do ganho proporcional do controlador de fator de potência, diferentes pontos de operação da geração distribuída, diferentes cenários de carregamento do sistema e diferentes potências de geração. / The connection of generators in distribution systems, commonly called distributed generation, brings new technical issues that must be analyzed by the utilities, since protection and control devices, as well as techniques for system planning and operation optimizing consider radial systems, i.e. without the presence of generators. In the case of synchronous generators, it is known that the excitation systems can be equipped with means for automatic adjustment of voltage, reactive power or power factor, and three different control modes can be applied to synchronous generators: voltage regulation, reactive power or power factor regulation and reactive power or power factor control. It is also known that there is no consensus among the power distribution companies about which is the best control mode for use in these machines, and in most cases the excitation control strategy is defined by an operating agreement between the company and the energy producer that operates the distributed generator. In this context, this work aims to provide contributions about the transient stability of synchronous generators connected to distribution systems, evaluating the impacts that different control modes may result in different system operating conditions. The main analysis parameter is the critical clearing fault time, obtained through extensive simulations using real system data. The different system operating conditions considered in the simulations are: different control modes, variation of the power factor controller proportional gain, different operating points of the distributed generation, different system loadings and power generation.

A conexão de geradores em sistemas de distribuição, usualmente chamados de geradores distribuídos, traz novos aspectos técnicos que devem ser analisados pelas empresas distribuidoras, uma vez que os dispositivos de proteção e controle, bem como as técnicas de planejamento e otimização da operação destes sistemas consideram um sistema radial, ou seja, sem a presença de geradores. Em se tratando de geradores síncronos, sabe-se que os sistemas de excitação podem ser equipados com meios para o ajuste automático de tensão, potência reativa ou fator de potência, sendo que três diferentes modos de controle podem ser aplicados a geradores síncronos: regulação de tensão, regulação de potência reativa ou fator de potência e controle de potência reativa ou fator de potência. Ainda, sabe-se que não há um consenso entre as empresas distribuidoras de energia sobre qual o melhor modo de controle destas máquinas, e na maioria dos casos a estratégia de controle de excitação é definida através de um acordo operativo entre a empresa de distribuição de energia e o produtor independente ou autoprodutor que opera o gerador distribuído. Neste contexto, esta dissertação de mestrado tem como objetivo apresentar contribuições com relação à avaliação da estabilidade transitória de geradores síncronos conectados em sistemas de distribuição, avaliando o impacto que os diferentes modos de controle de excitação podem ocasionar, em diferentes condições de operação do sistema. Como parâmetro principal de análise tem-se o tempo crítico de eliminação de falta, obtido através de exaustivas simulações dinâmicas utilizando dados de um sistema real e considerando diferentes condições de operação do sistema, sendo estas: diferentes modos de controle da geração distribuída, modificação do ganho proporcional do controlador de fator de potência, diferentes pontos de operação da geração distribuída, diferentes cenários de carregamento do sistema e diferentes potências de geração. / The connection of generators in distribution systems, commonly called distributed generation, brings new technical issues that must be analyzed by the utilities, since protection and control devices, as well as techniques for system planning and operation optimizing consider radial systems, i.e. without the presence of generators. In the case of synchronous generators, it is known that the excitation systems can be equipped with means for automatic adjustment of voltage, reactive power or power factor, and three different control modes can be applied to synchronous generators: voltage regulation, reactive power or power factor regulation and reactive power or power factor control. It is also known that there is no consensus among the power distribution companies about which is the best control mode for use in these machines, and in most cases the excitation control strategy is defined by an operating agreement between the company and the energy producer that operates the distributed generator. In this context, this work aims to provide contributions about the transient stability of synchronous generators connected to distribution systems, evaluating the impacts that different control modes may result in different system operating conditions. The main analysis parameter is the critical clearing fault time, obtained through extensive simulations using real system data. The different system operating conditions considered in the simulations are: different control modes, variation of the power factor controller proportional gain, different operating points of the distributed generation, different system loadings and power generation.

Este trabalho apresenta uma estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal de um grupo moto gerador (GMG) para uso em um sistema de geração distribuída (GD). A partir da construção de uma superfície fuzzy, baseada no comportamento do erro e da derivada do erro de uma malha de controle, foi realizada a sintonia de controladores fuzzy PD+I para potências ativa e reativa e tensão terminal. O controlador coordenado fuzzy PD+I ajusta automaticamente a tensão nos terminais da máquina e a potência reativa fornecidas à rede de distribuição. A estratégia coordenada é dada através de um parâmetro que regula a malha de potência reativa a partir do erro de tensão terminal, priorizando o ajuste da tensão e ponderando a malha de controle de potência reativa. Para avaliar o desempenho do sistema de controle, a GD é conectada a uma rede de distribuição e submetida a eventos como entrada e saída de cargas locais. O conjunto de cargas locais é composto por um motor de indução, uma carga RLC e um retificador trifásico não controlado. Sete cenários foram simulados para avaliar a estratégia de controle em diferentes regimes de operação do GMG. Resultados para tensão terminal, fator de potência e fluxo de potências entre o sistema, as cargas e a rede, ilustram a eficiência da estratégia de controle apresentada. A estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal se mostrou capaz de melhorar os índices de fator de potência controlando o fluxo de potência do barramento em que a GD estava conectada, sem prejudicar a tensão terminal do gerador, mantendo a GD em limites seguros de operação. / This work presents a coordinated control strategy to terminal voltage and reactive power for a diesel generation set used as a distributed gerenation system (DG). From desired control actions, a fuzzy surface was designed for fuzzy PD+I controllers. Fuzzy PD+I controllers automatically adjust the terminal voltage and the reactive power delivered to the grid. The coordinated control strategy weighs the control action for the reactive power through a variable parameter, prioritizing the terminal voltage adjustment. To illustrate the system control performance, the DG is connected to a grid dynamic model and the system is subjected to connection and disconnection of loads at the local bus. The local loads set was composed of an induction machine, a RLC load and an uncontrolled three-phase rectifier. Seven scenarios were simulated to evaluate the control strategy in different DG regime of operation. Results for terminal voltage, power factor and reactive power among the DG, the local loads and the grid, illustrates the control strategy efficiency improved the power factor by regulating the reactive power injected at the bus, maintaining the DG terminal voltage in safe operation limits.

Este trabalho apresenta uma estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal de um grupo moto gerador (GMG) para uso em um sistema de geração distribuída (GD). A partir da construção de uma superfície fuzzy, baseada no comportamento do erro e da derivada do erro de uma malha de controle, foi realizada a sintonia de controladores fuzzy PD+I para potências ativa e reativa e tensão terminal. O controlador coordenado fuzzy PD+I ajusta automaticamente a tensão nos terminais da máquina e a potência reativa fornecidas à rede de distribuição. A estratégia coordenada é dada através de um parâmetro que regula a malha de potência reativa a partir do erro de tensão terminal, priorizando o ajuste da tensão e ponderando a malha de controle de potência reativa. Para avaliar o desempenho do sistema de controle, a GD é conectada a uma rede de distribuição e submetida a eventos como entrada e saída de cargas locais. O conjunto de cargas locais é composto por um motor de indução, uma carga RLC e um retificador trifásico não controlado. Sete cenários foram simulados para avaliar a estratégia de controle em diferentes regimes de operação do GMG. Resultados para tensão terminal, fator de potência e fluxo de potências entre o sistema, as cargas e a rede, ilustram a eficiência da estratégia de controle apresentada. A estratégia de controle coordenado para potência reativa e tensão terminal se mostrou capaz de melhorar os índices de fator de potência controlando o fluxo de potência do barramento em que a GD estava conectada, sem prejudicar a tensão terminal do gerador, mantendo a GD em limites seguros de operação. / This work presents a coordinated control strategy to terminal voltage and reactive power for a diesel generation set used as a distributed gerenation system (DG). From desired control actions, a fuzzy surface was designed for fuzzy PD+I controllers. Fuzzy PD+I controllers automatically adjust the terminal voltage and the reactive power delivered to the grid. The coordinated control strategy weighs the control action for the reactive power through a variable parameter, prioritizing the terminal voltage adjustment. To illustrate the system control performance, the DG is connected to a grid dynamic model and the system is subjected to connection and disconnection of loads at the local bus. The local loads set was composed of an induction machine, a RLC load and an uncontrolled three-phase rectifier. Seven scenarios were simulated to evaluate the control strategy in different DG regime of operation. Results for terminal voltage, power factor and reactive power among the DG, the local loads and the grid, illustrates the control strategy efficiency improved the power factor by regulating the reactive power injected at the bus, maintaining the DG terminal voltage in safe operation limits.

After decades of routine operation, the hydropower industry faces new challenges. Large-scale integration of other renewable sources of generation in the power system accentuates the role of hydropower as a regulating resource. At the same time, an extensive reinvestment programme has commenced where many old components and apparatus are being refurbished or replaced. Introduction of new technical solutions in existing power plants requires good systems knowledge and careful consideration. Important tools for research, development and analysis are suitable mathematical models, numerical simulation methods and laboratory equipment. This doctoral thesis is devoted to studies of the electromechanical interaction between hydropower units and the power system. The work encompasses development of mathematical models, empirical methods for system identification, as well as numerical and experimental studies of hydropower generator and power system interaction. Two generator modelling approaches are explored: one based on electromagnetic field theory and the finite element method, and one based on equivalent electric circuits. The finite element model is adapted for single-machine infinite-bus simulations by the addition of a network equivalent, a mechanical equation and a voltage regulator. Transient simulations using both finite element and equivalent circuit models indicate that the finite element model typically overestimates the synchronising and damping properties of the machine. Identification of model parameters is performed both numerically and experimentally. A complete set of equivalent circuit parameters is identified through finite element simulation of standard empirical test methods. Another machine model is identified experimentally through frequency response analysis. An extension to the well-known standstill frequency response (SSFR) test is explored, which involves measurement and analysis of damper winding quantities. The test is found to produce models that are suitable for transient power system analysis. Both experimental and numerical studies show that low resistance of the damper winding interpole connections are vital to achieve high attenuation of rotor angle oscillations. Hydropower generator and power system interaction is also studied experimentally during a full-scale startup test of the Nordic power system, where multiple synchronised data acquisition devices are used for measurement of both electrical and mechanical quantities. Observation of a subsynchronous power oscillation leads to an investigation of the torsional stability of hydropower units. In accordance with previous studies, hydropower units are found to be mechanically resilient to subsynchronous power oscillations. However, like any other generating unit, they are dependent on sufficient electrical and mechanical damping. Two experimentally obtained hydraulic damping coefficients for a large Francis turbine runner are presented in the thesis.