Com o advento da geração distribuída foi permitido aos sistemas de distribuição a possibilidade de operação de forma ilhada dos sistemas interligados de grande porte. Apesar de suas vantagens, do ponto de vista técnico, ainda existe uma série de desafios que necessitam ser superados para a plena aplicação desse conceito. Um desses desafios é definido pela transição dos modos operativos dos geradores distribuídos durante o processo de ilhamento. Da forma em que é reportada na literatura, infere-se que tal transição é realizada de um modo inadequado, amplificando os transitórios observados nas grandezas do gerador distribuído - e por consequência, da rede em que o mesmo se conecta - durante o processo de ilhamento, o que não é desejável. No contexto apresentado, a principal contribuição desta pesquisa está em propor uma estrutura híbrida de controle a ser aplicada aos sistemas de excitação de geradores síncronos que operam em sistemas de distribuição que permitem a operação ilhada de determinadas porções de suas redes. A principal característica da estrutura proposta está em atenuar os transitórios das variáveis do gerador controlado durante o processo de ilhamento. Além disso, o arranjo da estrutura proposta estabelece um compromisso entre a potência reativa e a tensão terminal do gerador controlado, quando o mesmo opera em paralelo com os sistemas interligados de grande porte. Nessa condição, o sistema de controle mantém a potência reativa próxima da referência ajustada atendendo a uma faixa adequada de valores de tensão terminal. / With the advent of distributed generation, the possibility of autonomous operation regarding the bulk power systems was allowed to the distribution systems. Despite its advantages, from the technical point of view, there are lots of challenges that need to be overcome for the full application of this concept. One of these challenges is the transition of distributed generators operating modes during the islanding process. Based in the literature survey, it is inferred that transition is performed in a wrong way, which amplifies the transients in controlled generator quantities and consequently, of the network connected to it during the islanding process, which is undesirable. In this context, the main contribution of this research is the proposal of a hybrid control structure to be applied to the excitation systems of synchronous generators that operate in distribution systems whose islanded operation of determined portions of its grids is permitted. The main characteristic of the proposed structure is the attenuation of transients of the controlled generator quantities during the islanding process. Furthermore, the design of this structure provides a compromise between the generator reactive power and terminal voltage when it operates in parallel with the bulk power systems. That way, the control system maintains the reactive power close to the adjusted reference attending an appropriate range of terminal voltage values.

A produção de energia elétrica por fontes de geração distribuída (GD) vem se tornando cada vez mais presente no sistema elétrico de potência. De modo geral, os sistemas de GD conectados à rede de distribuição operam controlando potências ativa e reativa, enquanto que no modo isolado, a frequência e a tensão. Sendo assim, após a ocorrência de um ilhamento deve haver alteração no modo de operação da GD para garantir a estabilidade da frequência e da tensão no subsistema ilhado. Ainda, se o modo de operação não for alterado após o ilhamento, os dispositivos de proteção podem atuar desligando a GD. Portanto, o tempo decorrido até a alteração do modo de operação desempenha um papel importante na indicação se a GD permanecerá ou não em funcionamento após a ocorrência do ilhamento. Neste trabalho, são determinados os tempos máximos para chaveamento dos modos de operação de um grupo motor gerador diesel (GMG) operando como GD, utilizando controladores clássicos (CCs) e controladores fuzzy (CFs). Foram analisadas as influências do desbalanço entre as potências geradas e consumidas, do tipo de carga conectada ao subsistema ilhado e do comprimento do alimentador nos tempos máximos. Para evidenciar possíveis vantagens da estratégia de controle não linear, é utilizada uma metodologia na qual o ajuste dos ganhos dos CFs é realizado a partir dos ajustes de referência dos CCs. Devido ao ganho variável que a estratégia não linear adiciona às ações de controle, a utilização de CFs nas malhas do GMG permitiu maiores tempos de chaveamento para determinadas faixas de operação, quando comparado com a utilização de CCs. / Distributed generation (DG) is becoming more present in the electrical power system. In general, when a DG is connected to the grid, the DG works with the active and reactive power control loops. Therefore, after an islanding occurrence, the DG must change the operation control mode from power control to voltage and frequency control to maintain the system stability. If the operation mode is not changed after islanding, the protective devices are sensitized and the DG is disconnected. Therefore, the time elapsed until the operation mode changes has an important role in the indication if the DG remains in operation or not after islanding. In this work, the maximum times for switching the operating control mode of a diesel generator set, working as a DG, are analysed using a classical control strategy (CC) and a fuzzy control strategy (FC). The influence of the power imbalance, load types and the feeder distance on the maximum available time to switch the operation control mode is investigated. To highlight the advantages of a nonlinear control strategy, is used a methodology in which the tuning of the FCs gains is performed from the CCs which are used as reference. Due to the variable gain added by the nonlinear strategy, the FC allowed higher switching times than the CC.

A inserção de geradores distribuídos nas redes de distribuição de energia elétrica está aumentando consideravelmente devido à possibilidade de maior proximidade destes geradores com os mercados consumidores, fatores ambientais, aprimoramentos das tecnologias atuais de geração de energia elétrica e desenvolvimentos de outras novas, alterações de legislações e incentivos governamentais. Este novo cenário traz também a necessidade de maior atenção devido à possibilidade de ocorrência de ilhamentos não intencionais. Nestas situações, o gerador distribuído deve ser desconectado imediatamente após a detecção do evento. Métodos tradicionais, como relés de tensão e de frequência, mostram bom desempenho quando há um elevado desbalanço entre as potências geradas e as potências das cargas ilhadas. Nos casos de pequenos desbalanços de potência, o ilhamento pode não ser detectado por esses métodos. Neste contexto, este trabalho visa desenvolver um sistema de detecção de ilhamentos em sistemas de distribuição por meio da utilização de uma rede neural artificial do tipo Perceptron multicamadas. Utilizando-se uma rede neural devidamente treinada para o sistema elétrico estudado, obteve-se um bom desempenho na detecção de ilhamento, obtendo-se elevadas taxas de acerto. Além disso, o método proposto foi capaz de diferenciar corretamente situações normais de operação do sistema, tais como chaveamento de blocos de cargas, das situações de ilhamento. Os mesmos cenários foram testados utilizando as proteções convencionais de tensão, frequência e de taxa de variação de frequência, a fim de obter a comparação com o método proposto. Como resultado, o método baseado na rede neural apresentou desempenho superior aos demais sistemas de proteção, detectando o ilhamento dentro da faixa de 2 segundos em todos os casos simulados neste trabalho. / The penetration of distributed generators into the power distribution systems has been increasing significantly due to the possibility of generating power next to the consumers, environmental issues, improvement and development of the generation technologies, regulatory changes and governmental incentives. This new scenario requires special attention to the possibility of unintentional islanding. In this situation, the distributed generator must be disconnected immediately after an islanding occurrence. Traditional anti-islanding protection schemes, such as voltage and frequency-based relays, are effective to detect islanding if there is a big power imbalance between generation and load inside the island. On the other hand, they may fail if the power imbalance is small. In this context, this work presents a new islanding detection method based on a Perceptron Multi-layer neural network. By using a neural network properly trained for the distribution system under study, the method has presented good performance with high islanding detection successful rates. Moreover, the proposed method was capable of distinguish the islanding occurrence from normal transient operating conditions, such as load switching. The same operating scenarios were used to test voltage, frequency and rate of change of frequency protection in order to perform a comparison with the proposed method. As result, the method presented superior performance detecting the islanding faster than 2 seconds in all the cases simulated in this work.

Com o advento da geração distribuída foi permitido aos sistemas de distribuição a possibilidade de operação de forma ilhada dos sistemas interligados de grande porte. Apesar de suas vantagens, do ponto de vista técnico, ainda existe uma série de desafios que necessitam ser superados para a plena aplicação desse conceito. Um desses desafios é definido pela transição dos modos operativos dos geradores distribuídos durante o processo de ilhamento. Da forma em que é reportada na literatura, infere-se que tal transição é realizada de um modo inadequado, amplificando os transitórios observados nas grandezas do gerador distribuído - e por consequência, da rede em que o mesmo se conecta - durante o processo de ilhamento, o que não é desejável. No contexto apresentado, a principal contribuição desta pesquisa está em propor uma estrutura híbrida de controle a ser aplicada aos sistemas de excitação de geradores síncronos que operam em sistemas de distribuição que permitem a operação ilhada de determinadas porções de suas redes. A principal característica da estrutura proposta está em atenuar os transitórios das variáveis do gerador controlado durante o processo de ilhamento. Além disso, o arranjo da estrutura proposta estabelece um compromisso entre a potência reativa e a tensão terminal do gerador controlado, quando o mesmo opera em paralelo com os sistemas interligados de grande porte. Nessa condição, o sistema de controle mantém a potência reativa próxima da referência ajustada atendendo a uma faixa adequada de valores de tensão terminal. / With the advent of distributed generation, the possibility of autonomous operation regarding the bulk power systems was allowed to the distribution systems. Despite its advantages, from the technical point of view, there are lots of challenges that need to be overcome for the full application of this concept. One of these challenges is the transition of distributed generators operating modes during the islanding process. Based in the literature survey, it is inferred that transition is performed in a wrong way, which amplifies the transients in controlled generator quantities and consequently, of the network connected to it during the islanding process, which is undesirable. In this context, the main contribution of this research is the proposal of a hybrid control structure to be applied to the excitation systems of synchronous generators that operate in distribution systems whose islanded operation of determined portions of its grids is permitted. The main characteristic of the proposed structure is the attenuation of transients of the controlled generator quantities during the islanding process. Furthermore, the design of this structure provides a compromise between the generator reactive power and terminal voltage when it operates in parallel with the bulk power systems. That way, the control system maintains the reactive power close to the adjusted reference attending an appropriate range of terminal voltage values.

The simplified models of synchronous generators, widely used in stability studies of large electric power systems, are not completely suitable for the stability analysis and the design of controllers of distributed synchronous generators, generally connected to typically unbalanced branches. To more accurately analyze the systems with distributed generation, it is necessary to utilize synchronous generator models that consider frequency variation in their electrical equations. Furthermore, this model must represent possible unbalanced three-phase voltages at the generator terminals as well. Nonetheless, to provide reliable responses, the parameters of this more detailed model should be known. Thus, this work assesses the influence of the parameters on the responses of a detailed synchronous generator model, suitable to depict unbalanced operating conditions, and proposes an approach for the estimation of its most important parameters. In the proposed structure, we first employ Trajectory Sensitivity Functions to evaluate the dependency of the responses of this model with respect to its parameters and, from that, we rank them according to their importance. Subsequently, we apply an estimation process that utilizes the Unscented Kalman Filter with the aid of a genetic algorithm to estimate the main parameters of this synchronous generator model under unbalanced operating conditions. To obtain the results and, therefore, assess the proposed estimation approach, we make use of a system which comprises a synchronous generator connected to a three-phase unbalanced load. In addition to the unbalanced operation of the test system, we also consider noises due to the constant load switching, typical of distribution systems. The estimations performed for three operating conditions of the generator were very satisfactory, which demonstrates the efficiency of the proposed approach to obtain adequate models for the description of synchronous generator operation under unbalanced operating conditions. / Os modelos simplificados de geradores síncronos, amplamente utilizados em estudos de estabilidade de grandes sistemas elétricos de potência, não são completamente adequados para a análise de estabilidade e projetos de controladores dos geradores síncronos distribuídos, geralmente conectados a sistemas tipicamente desequilibrados. Para que os sistemas com geração distribuída possam ser analisados mais fidedignamente, é necessária a utilização de um modelo de gerador síncrono que considere a variação de frequência em suas equações elétricas. Além disso, esse modelo também deve ser capaz de representar possíveis tensões trifásicas desequilibradas nos terminais do gerador. Entretanto, para que esse modelo mais detalhado possa fornecer respostas coerentes com a realidade, deve-se conhecer seus parâmetros. Dessa forma, este trabalho avalia a influência dos parâmetros nas respostas de um modelo de gerador síncrono mais detalhado, adequado para representar operações desbalanceadas, e propõe uma abordagem para a estimação de seus parâmetros mais importantes. Nessa estrutura, inicialmente empregam-se as Funções de Sensibilidade de Trajetória para avaliar a dependência das respostas desse modelo em relação aos seus parâmetros e, a partir disso, ordená-los conforme sua importância. Em seguida, aplica-se um processo de estimação que utiliza o Filtro de Kalman Unscented com o auxílio de um algoritmo genético para estimar os principais parâmetros desse modelo de gerador síncrono em condições de desbalanço. Para a obtenção dos resultados e consequente avaliação da abordagem de estimação proposta, utiliza-se um sistema composto por um gerador síncrono conectado a uma carga trifásica desbalanceada. Além da operação desbalanceada desse sistema teste, também são considerados ruídos devidos ao constante chaveamento de cargas, típicos de sistemas de distribuição. As estimações realizadas para três condições de operação do gerador foram bem satisfatórias, indicando a eficiência da abordagem proposta na obtenção de modelos adequados para descrever a operação de geradores síncronos em condições de desbalanço.

A inserção de geradores distribuídos nas redes de distribuição de energia elétrica está aumentando consideravelmente devido à possibilidade de maior proximidade destes geradores com os mercados consumidores, fatores ambientais, aprimoramentos das tecnologias atuais de geração de energia elétrica e desenvolvimentos de outras novas, alterações de legislações e incentivos governamentais. Este novo cenário traz também a necessidade de maior atenção devido à possibilidade de ocorrência de ilhamentos não intencionais. Nestas situações, o gerador distribuído deve ser desconectado imediatamente após a detecção do evento. Métodos tradicionais, como relés de tensão e de frequência, mostram bom desempenho quando há um elevado desbalanço entre as potências geradas e as potências das cargas ilhadas. Nos casos de pequenos desbalanços de potência, o ilhamento pode não ser detectado por esses métodos. Neste contexto, este trabalho visa desenvolver um sistema de detecção de ilhamentos em sistemas de distribuição por meio da utilização de uma rede neural artificial do tipo Perceptron multicamadas. Utilizando-se uma rede neural devidamente treinada para o sistema elétrico estudado, obteve-se um bom desempenho na detecção de ilhamento, obtendo-se elevadas taxas de acerto. Além disso, o método proposto foi capaz de diferenciar corretamente situações normais de operação do sistema, tais como chaveamento de blocos de cargas, das situações de ilhamento. Os mesmos cenários foram testados utilizando as proteções convencionais de tensão, frequência e de taxa de variação de frequência, a fim de obter a comparação com o método proposto. Como resultado, o método baseado na rede neural apresentou desempenho superior aos demais sistemas de proteção, detectando o ilhamento dentro da faixa de 2 segundos em todos os casos simulados neste trabalho. / The penetration of distributed generators into the power distribution systems has been increasing significantly due to the possibility of generating power next to the consumers, environmental issues, improvement and development of the generation technologies, regulatory changes and governmental incentives. This new scenario requires special attention to the possibility of unintentional islanding. In this situation, the distributed generator must be disconnected immediately after an islanding occurrence. Traditional anti-islanding protection schemes, such as voltage and frequency-based relays, are effective to detect islanding if there is a big power imbalance between generation and load inside the island. On the other hand, they may fail if the power imbalance is small. In this context, this work presents a new islanding detection method based on a Perceptron Multi-layer neural network. By using a neural network properly trained for the distribution system under study, the method has presented good performance with high islanding detection successful rates. Moreover, the proposed method was capable of distinguish the islanding occurrence from normal transient operating conditions, such as load switching. The same operating scenarios were used to test voltage, frequency and rate of change of frequency protection in order to perform a comparison with the proposed method. As result, the method presented superior performance detecting the islanding faster than 2 seconds in all the cases simulated in this work.

The simplified models of synchronous generators, widely used in stability studies of large electric power systems, are not completely suitable for the stability analysis and the design of controllers of distributed synchronous generators, generally connected to typically unbalanced branches. To more accurately analyze the systems with distributed generation, it is necessary to utilize synchronous generator models that consider frequency variation in their electrical equations. Furthermore, this model must represent possible unbalanced three-phase voltages at the generator terminals as well. Nonetheless, to provide reliable responses, the parameters of this more detailed model should be known. Thus, this work assesses the influence of the parameters on the responses of a detailed synchronous generator model, suitable to depict unbalanced operating conditions, and proposes an approach for the estimation of its most important parameters. In the proposed structure, we first employ Trajectory Sensitivity Functions to evaluate the dependency of the responses of this model with respect to its parameters and, from that, we rank them according to their importance. Subsequently, we apply an estimation process that utilizes the Unscented Kalman Filter with the aid of a genetic algorithm to estimate the main parameters of this synchronous generator model under unbalanced operating conditions. To obtain the results and, therefore, assess the proposed estimation approach, we make use of a system which comprises a synchronous generator connected to a three-phase unbalanced load. In addition to the unbalanced operation of the test system, we also consider noises due to the constant load switching, typical of distribution systems. The estimations performed for three operating conditions of the generator were very satisfactory, which demonstrates the efficiency of the proposed approach to obtain adequate models for the description of synchronous generator operation under unbalanced operating conditions. / Os modelos simplificados de geradores síncronos, amplamente utilizados em estudos de estabilidade de grandes sistemas elétricos de potência, não são completamente adequados para a análise de estabilidade e projetos de controladores dos geradores síncronos distribuídos, geralmente conectados a sistemas tipicamente desequilibrados. Para que os sistemas com geração distribuída possam ser analisados mais fidedignamente, é necessária a utilização de um modelo de gerador síncrono que considere a variação de frequência em suas equações elétricas. Além disso, esse modelo também deve ser capaz de representar possíveis tensões trifásicas desequilibradas nos terminais do gerador. Entretanto, para que esse modelo mais detalhado possa fornecer respostas coerentes com a realidade, deve-se conhecer seus parâmetros. Dessa forma, este trabalho avalia a influência dos parâmetros nas respostas de um modelo de gerador síncrono mais detalhado, adequado para representar operações desbalanceadas, e propõe uma abordagem para a estimação de seus parâmetros mais importantes. Nessa estrutura, inicialmente empregam-se as Funções de Sensibilidade de Trajetória para avaliar a dependência das respostas desse modelo em relação aos seus parâmetros e, a partir disso, ordená-los conforme sua importância. Em seguida, aplica-se um processo de estimação que utiliza o Filtro de Kalman Unscented com o auxílio de um algoritmo genético para estimar os principais parâmetros desse modelo de gerador síncrono em condições de desbalanço. Para a obtenção dos resultados e consequente avaliação da abordagem de estimação proposta, utiliza-se um sistema composto por um gerador síncrono conectado a uma carga trifásica desbalanceada. Além da operação desbalanceada desse sistema teste, também são considerados ruídos devidos ao constante chaveamento de cargas, típicos de sistemas de distribuição. As estimações realizadas para três condições de operação do gerador foram bem satisfatórias, indicando a eficiência da abordagem proposta na obtenção de modelos adequados para descrever a operação de geradores síncronos em condições de desbalanço.

Esta tese propõe uma estratégia de controle fuzzy para um grupo motor gerador a diesel como uma fonte de geração distribuída, cobrindo a parte mecânica do sistema que é composta por controle de velocidade e de potência ativa, a parte elétrica do sistema composta por controle de tensão e potência reativa, e também o controle de sincronismo com a rede de distribuição. A estratégia de controle foi baseada em lógica fuzzy que usou uma superfície de controle fixa para os controladores fuzzy. Foram investigados os distúrbios causados pelo efeito de conexão com a rede e da conexão de um motor de indução, um retificador não controlado e uma carga RLC. Resultados de simulação para fluxo de potência no modo conectado foram obtidos usando um alimentador padrão IEEE -1547. Os resultados de simulação obtidos para os modos isolado e conectado usando o controlador fuzzy foram superiores comparados aos resultados obtidos com um controlador comercial. Uma bancada experimental também foi usada para analisar a resposta do sistema no modo isolado com o controlador fuzzy proposto e com o controlador comercial para fins de comparação. Nesse contexto, espera-se com este trabalho contribuir para o desenvolvimento de pesquisas na área de controle e processamento de energia, uma vez que, soluções para a produção de energia utilizando a geração distribuída têm importância estratégica e têm sido foco de investimento e discussões por parte de governos, empresas e universidades. / This thesis proposes a control strategy for a diesel generating set as a distributed generation source covering the mechanical part of the system which includes speed and active power control, the electrical part of the system which includes voltage and reactive power control, and also the synchronism control with the grid. The control strategy was based on a fuzzy logic which used a fixed controller surface for the fuzzy controllers. The effect of the disturbances caused by the grid connection and the disturbances caused by the activation of a induction motor, non controled rectifier and a RLC load types were investigated. Power flow simulation results for the grid-connected mode was obtained with a IEEE -1547 standard feeder. The simulations results for both stand-alone and gridconnected operations using fuzzy controllers were superior when compared to commercial methods. An experimental setup was also used to analyze the system responses under isolated mode with the proposed fuzzy controller and with the commercial controllers for comparison proposes. In this context, it is expected that this work contributes to the development of control and energy processing research area, since solutions for energy production using distributed generation have strategic importance and have been the focus of investment and discussions from governments, companies and universities.

Made available in DSpace on 2016-08-31T13:33:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DaniloSP_DISSERT.pdf: 1541140 bytes, checksum: a3ab0c19a32a7eaf392690513de9a9a5 (MD5) Previous issue date: 2015-07-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The objective of this study is to evaluate different strategies for adaptive control in order to contribute to better performance controllers with synchronous generators with uncertainties of the parameters or disturbances. The permanent magnet synchronous generators are growing in the market for wind power generation, this being the necessary motivation for choosing this plant. A study and analysis of subsystems of wind energy conversion are performed, and the model of the wind turbine, the mechanical transmission system and synchronous generator are described. The project strategy with conventional control is performed and will be the target of comparison for the implemented adaptive control strategies / O objetivo deste trabalho é avaliar diferentes estratégias de controle adaptativo a fim de contribuir para a melhoria do desempenho de controladores de geradores síncronos com incertezas dos parâmetros ou perturbações. Os geradores síncronos de ímã permanente estão crescendo rapidamente no mercado de geração de energia eólica, sendo a motivação necessária para a escolha desta planta. Um estudo e análise dos subsistemas de conversão de energia eólica são realizados, sendo descrito o modelo da turbina eólica, do sistema de transmissão mecânico e do gerador síncrono. O projeto com estratégia de controle convencional é abordado e será alvo de comparação para as estratégias de controle adaptativo implementadas

This work demonstrates the theoretical and experimental feasibility of a induction generator to work as an attenuator of the harmonics in main generators of on the electric power system, i.e., the synchronous generators. The induction and synchronous machines were analyzed in physical terms and established mathematical modeling in the frequency domain in order to prove the purpose of the thesis. Computer simulations were also carried out in the time domain and laboratory tests were made to check levels of attenuation of current harmonics (THDi) in accordance with the maximum standardized voltage harmonic distortion (THDv). Furthermore, this work presents a study of technical and economical feasibility of a typical application. / Este trabalho demonstra a viabilidade teórica e experimental de um gerador de indução funcionar como um atenuador dos harmônicos nos geradores principais do sistema elétrico de potência, ou seja, os geradores síncronos. Foram analisadas as máquinas de indução e síncronas do ponto de vista físico e estabelecidas modelagens matemáticas no domínio da frequência, a fim de comprovar o objetivo da tese. Foram realizadas também´em, simulações computacionais no domínio do tempo e ensaios em laboratório para verificar os n´níveis de atenuação de harmônicos de corrente (THDi) em conformidade com os limites máximos de distorções harmônicas de tensão (THDv) normalizados. Apresenta-se também neste trabalho um estudo de viabilidade técnica e econômica de uma aplicação típica. / Doutor em Ciências