Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2017-06-01T22:22:40Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Henrique Mesquita Tonhá - 2017.pdf: 3159304 bytes, checksum: 5bac33b411dcef9b02cd77d8fda8d1a8 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-06-02T11:12:05Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Henrique Mesquita Tonhá - 2017.pdf: 3159304 bytes, checksum: 5bac33b411dcef9b02cd77d8fda8d1a8 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-02T11:12:05Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Henrique Mesquita Tonhá - 2017.pdf: 3159304 bytes, checksum: 5bac33b411dcef9b02cd77d8fda8d1a8 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-04-10 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Electricity distribution networks around the world are able to receive generators installed along their length. As the studies of the impacts of distributed generators emerge and deepen in the solution of the problems arising from the granting of installation of DGs, their benefits become more attractive than impediments not yet overcome and their dissemination becomes a irreversible tendency. One of the inconveniences faced by enterprising to the electrical system is the power limitation to be injected in the network to the situation that the enterprising one behaves like exporter, this limitation can become a factor of discouraging his input in the system. In this sense, this work searches through a well-known tool of load flow - OpenDSS to carry out tests proposing the substitution of the conductor in part of the network in order to enable more ambitious distributed generation projects from the point of view of the injected power. In addition, the impact of the voltage regulator, often found in the networks, on the maximum permissible potency to be inserted in the studied network, as well as the impact on the electric losses profile and the proposed overcurrent protection are also analyzed. The tests demonstrated that the substitution of the conductor was adequate for the maximization of power, especially when the network operates with voltage regulator. In view of the distributed generation connection and the replace the cable proposed of part of the network, the losses presented a relative reduction and the protection times were reduced due to the necessary replacement of some devices / As redes de distribuição de energia elétrica em todo o mundo encontram-se aptas a receber geradores instalados ao longo de sua abrangência. À medida que os estudos dos impactos dos geradores distribuídos surgem e se aprofundam na solução dos problemas provenientes da concessão de instalação de GD’s, seus benefícios mostram-se mais atrativos que os impedimentos ainda não superados e sua disseminação torna-se uma tendência irreversível. Um dos inconvenientes enfrentados por acessantes ao sistema elétrico é a limitação de potência a ser injetada na rede para a situação que o acessante se comporte como exportador, essa limitação pode se tornar um fator de desestímulo à sua entrada no sistema. Nesse sentido, este trabalho busca através de uma ferramenta conceituada de fluxo de carga - OpenDSS realizar testes propondo a substituição do condutor em parte da rede a fim de viabilizar projetos de geração distribuída mais ambiciosos do ponto de vista da potência injetada. Além disso, o impacto do regulador de tensão, frequentemente encontrado nas redes, sobre a potência máxima admissível a ser inserida na rede estudada, bem como o impacto sobre o perfil das perdas elétricas e da proposta de proteção de sobrecorrente são também analisados. Os testes demonstraram que a substituição do condutor se mostrou adequada à maximização de potência, em especial quando a rede opera com regulador de tensão. Diante da proposta de recondutoramento de parte da rede, as perdas apresentaram redução relativa e os tempos de atuação da proteção foram reduzidos em razão da substituição necessária de alguns dispositivos.

The master´s thesis deals with the design of medium voltage power line protection and the calculation of reliability indicators. First, it deals with the possibilities of power system operation. Subsequently, it divides the networks according to the grounding of the transformer node and the switching elements and devices occurring in the MV distribution network are mentioned. It presents the basic classification of power line protection and its use, especially it focuses on overhead and cable MV power lines. It also discusses the reliability of the power supply and lists the basic reliability indicators and their possible calculation. The practical part describes the changes in the considered area of the distribution network, where the reconstruction of the power line VN872 and a new way of powering the village Drnholec will take place. The impact of this change on the reliability of the supplied energy is also calculated. Furthermore, the protection of the power line is designed and the correctness of its setting is then verified on the model in the PSS Sincal software.

This work proposes recommendations for new guidelines for fault current injection on a distribution grid. These guidelines will help improve the transition towards renewable electrical energy generation. The grid-integration of inverter-based distributed generations (IBDGs) into the distribution grid changes the topology of a conventional grid with one-way power flow to a grid with multi-way power flow. This thesis investigates the impact of fault current injection on a distribution grid, if the limitations in the fault current injection of IBDGs affect the reliable function of the protection system and if there is a preferable type of current control to be prioritised. This investigation was carried out through a literature review and transient state simulations on a model grid in PSCAD. The grid is based on a real radial distribution grid on the Swedish island of Gotland, where a Type III wind turbine generator (WTG) is connected. The limitation on fault current injection by the wind turbine, the location and type of fault in the grid, can affect the reliable function of the protection system. The control system inside a type III WTG affects its fault current injection that impacts fault detection by the protection system. This thesis emphasizes the need for a guideline and requirement on the WTG control system for fault current injection. Prioritising reactive current control (q-axis) seems to be preferable and should become the standard for fault current injection in type III wind turbine generators in this distribution grid, according to this study. Furthermore, the need for more investigation for different types of IBDGs with different control strategies is highlighted in this work. / Detta arbete föreslår rekommendationer för nya riktlinjer för felströmsinjektering i ett distributionsnät. Dessa rekommendationer kommer bidra till att förbättra omställningen till förnyelsebar elgenerering. Integreringen av omriktarbaserade distributionsgeneratorer (IBDG) i distributionsnätet förändrar topologin i ett konventionellt nät med ett enkelriktat effektflöde till ett flervägsriktat effektflöde. Detta examensarbete undersöker påverkan av felströmsinjektering i ett distributionsnät, om begränsningarna i felströmsinjekteringen hos IBDG:er påverkar reläskydds pålitliga funktionalitet och om det finns en typ av kontrollström som föredras och bör prioriteras. Denna undersökning genomfördes genom en litteraturstudie och transienta simuleringar i ett exempelnät i PSCAD. Nätet är baserat på ett verkligt radialdistributionsnät från Gotland, där ett Typ III vindkraftverk (WTG) är anslutet. Begränsningen i felströmsinjektering hos vindkraftverket, platsen för och typen av fel i nätet kan påverka den pålitliga funktionaliteten hos reläskydd. Kontrollsystemet inuti ett Typ III WTG påverkar dess felströmsinjektering som påverkar feldetekteringen i reläskyddet. Detta examensarbete betonar vikten av riktlinjer och krav på WTG kontollsystem för felströmsinjektering. Prioritering av reaktiv kontrollström (q-axis) verkar vara fördelaktigt och bör bli standard för felströminjektering i Typ III WTG i detta distributionsnät, enligt detta arbete. Dessutom påtalas behovet av att ytterligare undersöka olika typer av IBDG:er med olika kontrollstrategier i detta arbete.

This paper describes work related to the “Miniature Student Satellite” (MIST) project and the ”SiC in Space” project, located at KTH, Stockholm, Sweden. The goal of the MIST project is to launch KTH’s first student satellite into space, carrying multiple scientific experiments where SiC in Space is included. This thesis contains a compilation of three MIST-related bachelor theses that were carried out at KTH in the spring of 2016, primarily consisting of constructing and testing circuits for power supply and measurements for the SiC in Space part of the satellite. A printed circuit board has been developed, which accommodates experiment circuits to evaluate the features and functionality of silicon carbide components in a space environment, and power the supply to the SiC in Space and the Piezo LEGS projects. The development includes designing, assembling and testing the PCB according to the MIST team’s demands and requirements. Emphasis has been laid on electrical safety to ensure that the design can not short circuit the satellite battery, as well as EMC considerations to minimize the EMI between different parts of the satellite. Final testing of the hardware has not been executed due to an ordering error and time shortage, wherefore the planned test protocol has been included for future work. / Denna kandidatuppsats beskriver arbete relaterat till “Miniature Student Satellite” (MIST)-, samt SiC in Space-projekten, vid KTH, Stockholm, Sverige. MIST-projektets mål är att skicka KTH:s första studentsatellit till rymden, där SiC in Space är ett av flera medföljande vetenskapliga experiment. Detta projekt sammanställer tre examensarbeten relaterade till MIST som genomfördes vid KTH under våren 2016, huvudsakligen bestående av att konstruera och testa kretsar för strömförsörjning samt mätningar för SiC in Space-delen av satelliten. Ett kretskort som innehåller experimentkretsar för att utvärdera egenskaper och funktionalitet för komponenter av materialet kiselkarbid i en rymdmiljö, samt strömförsörjningskretsar till SiC in Space- och Piezo LEGS-projekten har utvecklats. Utvecklingen omfattar design, montering and testning av kretskortet enligt MIST-gruppens krav. Tonvikt har lagts på elsäkerhet för att säkerställa att designen inte kan kortsluta satellitens batteri, såväl som EMC för att minimera EMI mellan olika delar av satelliten. Slutgiltig testning av hårdvaran har ej kunnat genomföras på grund av tidsbrist beroende på ett beställningsfel. Därför har det planerade testprotokollet inkluderats för framtida arbete.

Em função das limitações apresentadas pelos relés eletromecânicos, a proteção térmica de motores foi historicamente tratada como um problema de coordenação de sobrecorrente, sem levar em consideração a dinâmica e o histórico térmico envolvido na operação contínua do motor. Os atuais relés microprocessados para proteção de motores implementam equações diferenciais de primeira ordem, cujos algoritmos, processados em tempo real, possibilitam uma nova abordagem para uma adequada proteção térmica, utilizando modelos matemáticos. Especialmente para os motores industriais de grande porte e de maior importância operacional, somente os recentes relés de proteção microprocessados e seus algoritmos digitais tem sido efetivamente capazes de fornecer proteção adequada, baseados em modelos térmicos que realisticamente estimam, continuamente e em tempo real, o nível térmico atual do motor. A proteção térmica de motores de indução trifásicos tem sido uma das maiores áreas onde a proteção numérica, baseado em microprocessadores, tem proporcionado um aprimoramento do nível básico das funções de proteção de motores. O método da proteção térmica tem sido aperfeiçoado, de forma a implementar modelos que levam em consideração o aquecimento do motor devido às correntes de seqüência positiva e negativa e as características térmicas de um motor de indução. A capacidade do processamento digital de sinais tem possibilitado a implementação de novas soluções para as deficiências de proteção de motores industriais trifásicos apresentadas pelas tecnologias convencionais de proteção, até então fundamentadas em proteção de sobrecorrente. As principais funções de proteção aplicáveis para motores trifásicos industriais, bem como os aspectos do estado da arte de hardware, software e filtros digitais implementados nos atuais relés de proteção microprocessados são discutidos neste trabalho. O equacionamento de um sistema térmico de primeira ordem e os requisitos de modelo para a implementação da proteção térmica de motores são também aqui analisados. São discutidas as dinâmicas de dois modelos térmicos, um baseado em proteção por sobrecorrente e outro baseado em um sistema térmico de primeira ordem. São simulados e comparados os desempenhos destes dois diferentes algoritmos de proteção térmica de motores, quando submetidos às correntes de carga e de sobrecarga, tanto constantes como cíclicas. / On account of the limitations presented for the electromechanical relays, the motor thermal protection was historically treated as an overcurrent coordination issue, without taking into account the dynamics and the thermal historical involved in the process. The modern microprocessor-based relays for motor protection implement discrete time first-order differential equations, whose algorithms, based on the power of the real time signal processing, make possible a new approach for a proper thermal protection, applying mathematical models. Especially for large and critical operational significance industrial motors, only the recent numerical relays for motor protection and its digital algorithms has been efficiently suitable to provide an adequate protection, based in thermal models that realistically take into account, continuously and in real time, the actual motor thermal level. The thermal protection of three-phase induction motors has been one of the biggest areas where the numerical protection, based in microprocessor-based relays, has provide an improvement of the basic level of the motor protection functions. The method of the thermal protection has been improved, in such wise as to implement models that take into account the motor heating due to both positive and negative sequence currents, and the thermal characteristics of an induction motor. The capacity of the digital signal processing has made possible the implementation of new solutions for the deficiencies of three-phase industrial motors protection, established on the conventional protection technologies, till then based on overcurrent protection. The main applicable protection functions for industrial three-phase motors, as well as the aspects of the state of the art of the hardware, software and digital filters implemented in the actual microprocessor-based protection relays are discussed in this work. The derivation of a first-order thermal system and the requirements of model for the implementation of the motor thermal protection also are studied in this work. The dynamics of two thermal models, one based in overcurrent protection and another based on a first-order thermal system are analyzed. The performances of these two different algorithms of motor thermal protection are simulated and compared, when subjected to both constants and cyclic, load and overload currents.

Em função das limitações apresentadas pelos relés eletromecânicos, a proteção térmica de motores foi historicamente tratada como um problema de coordenação de sobrecorrente, sem levar em consideração a dinâmica e o histórico térmico envolvido na operação contínua do motor. Os atuais relés microprocessados para proteção de motores implementam equações diferenciais de primeira ordem, cujos algoritmos, processados em tempo real, possibilitam uma nova abordagem para uma adequada proteção térmica, utilizando modelos matemáticos. Especialmente para os motores industriais de grande porte e de maior importância operacional, somente os recentes relés de proteção microprocessados e seus algoritmos digitais tem sido efetivamente capazes de fornecer proteção adequada, baseados em modelos térmicos que realisticamente estimam, continuamente e em tempo real, o nível térmico atual do motor. A proteção térmica de motores de indução trifásicos tem sido uma das maiores áreas onde a proteção numérica, baseado em microprocessadores, tem proporcionado um aprimoramento do nível básico das funções de proteção de motores. O método da proteção térmica tem sido aperfeiçoado, de forma a implementar modelos que levam em consideração o aquecimento do motor devido às correntes de seqüência positiva e negativa e as características térmicas de um motor de indução. A capacidade do processamento digital de sinais tem possibilitado a implementação de novas soluções para as deficiências de proteção de motores industriais trifásicos apresentadas pelas tecnologias convencionais de proteção, até então fundamentadas em proteção de sobrecorrente. As principais funções de proteção aplicáveis para motores trifásicos industriais, bem como os aspectos do estado da arte de hardware, software e filtros digitais implementados nos atuais relés de proteção microprocessados são discutidos neste trabalho. O equacionamento de um sistema térmico de primeira ordem e os requisitos de modelo para a implementação da proteção térmica de motores são também aqui analisados. São discutidas as dinâmicas de dois modelos térmicos, um baseado em proteção por sobrecorrente e outro baseado em um sistema térmico de primeira ordem. São simulados e comparados os desempenhos destes dois diferentes algoritmos de proteção térmica de motores, quando submetidos às correntes de carga e de sobrecarga, tanto constantes como cíclicas. / On account of the limitations presented for the electromechanical relays, the motor thermal protection was historically treated as an overcurrent coordination issue, without taking into account the dynamics and the thermal historical involved in the process. The modern microprocessor-based relays for motor protection implement discrete time first-order differential equations, whose algorithms, based on the power of the real time signal processing, make possible a new approach for a proper thermal protection, applying mathematical models. Especially for large and critical operational significance industrial motors, only the recent numerical relays for motor protection and its digital algorithms has been efficiently suitable to provide an adequate protection, based in thermal models that realistically take into account, continuously and in real time, the actual motor thermal level. The thermal protection of three-phase induction motors has been one of the biggest areas where the numerical protection, based in microprocessor-based relays, has provide an improvement of the basic level of the motor protection functions. The method of the thermal protection has been improved, in such wise as to implement models that take into account the motor heating due to both positive and negative sequence currents, and the thermal characteristics of an induction motor. The capacity of the digital signal processing has made possible the implementation of new solutions for the deficiencies of three-phase industrial motors protection, established on the conventional protection technologies, till then based on overcurrent protection. The main applicable protection functions for industrial three-phase motors, as well as the aspects of the state of the art of the hardware, software and digital filters implemented in the actual microprocessor-based protection relays are discussed in this work. The derivation of a first-order thermal system and the requirements of model for the implementation of the motor thermal protection also are studied in this work. The dynamics of two thermal models, one based in overcurrent protection and another based on a first-order thermal system are analyzed. The performances of these two different algorithms of motor thermal protection are simulated and compared, when subjected to both constants and cyclic, load and overload currents.

Dans un contexte de développement des énergies renouvelables et des liaisons HVDC dans les systèmes électriques, les travaux présentés s’attachent au fonctionnement technique de tels systèmes. La génération éolienne, photovoltaïque et les liaisons HVDC sont interfacées par dispositifs d’électronique de puissance au réseau de transport électrique. Dès lors, serait-il envisageable d’alimenter la demande électrique uniquement via des sources électriques interfacées par des convertisseurs statiques ?Le pilotage du système électrique par électronique de puissance constitue un changement radical du fonctionnement dynamique des réseaux. La traditionnelle stratégie de commande « grid-following » des onduleurs a montré ses limites lorsque la pénétration de ces dispositifs devient importante. Elle doit être révisée au profit de stratégies dîtes « parallel grid-forming ».Dans cette thèse, les besoins fondamentaux du système électrique sont d’abord analysés pour définir les exigences de la stratégie « parallel grid-forming », ainsi que les défis associés. Selon ces spécifications, une méthode de synchronisation de sources « grid-forming » est ensuite proposée ainsi qu’un contrôle de tension, adapté aux limitations physiques des convertisseurs de tension PWM. La stabilité de la solution est discutée pour différentes configuration de réseau. Enfin, une stratégie de limitation du courant a été spécifiquement développée pour palier la sensibilité des VSC aux sur courants, lors d’évènements réseaux éprouvant. Les idées développées sur un convertisseur unique sont appliquées à petits réseaux afin d’extraire des interprétations physiques depuis des simulations temporelles / In the context of renewable energy and HVDC links development in power systems, the present work concerns the technical operations of such systems. As wind power, solar photovoltaics and HVDC links are interfaced to the transmission grid with power-electronics, can the system be operated in the extreme case where the load is fed only through static converters?Driving a power system only based on power electronic interfaced generation is a tremendous change of the power system paradigm that must be clearly understood by transmission grid operators. The traditional “grid-feeding” control strategy of inverters exhibits a stability limit when their proportion becomes too important. The inverter control strategy must be turned into a “parallel grid-forming” strategy.This thesis first analyses the power system needs, proposes the requirements for “parallel grid-forming” converters and describes the associated challenges. Accordingly, the thesis gives a method for designing a stable autonomous synchronization controls so that grid-forming sources can operate in parallel with a good level of reliability. Then, a method is proposed to design a voltage control for a grid-forming PWM source taking into account the limited dynamic of large converters. The robustness of the solution is discussed for different configuration of the grid topology. A current limiting strategy is presented to solve the current sensitivity issue of grid-forming converters, subject to different stressing events of the transmission grid. The ideas developed on a single converter are then applied on small grids with a limited number of converters to allow a physical interpretation on the simulation results.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to optimize the coordination of microprocessor-based directional overcurrent relays in power systems using Binary Integer Programming (BIP). Two new mathematical models of BIP are presented. The first determines only the Time Multiplier of each relay, while the second determines simultaneously the Time Multiplier and Current Multiplier of each relay. These models have a great advantage over the Linear Programming (LP) and Nonlinear Programming (NLP) models to determine the relay settings directly within the range provided by these instead of the LP and NLP which use continuous variables. Thus, it avoids the rounding of settings to the closest values available in the relays, which can cause failures in coordination. Still, the algorithms used to solve these BIP models do not require an initial guess, unlike what happens in NLP, and the search from getting trapped in local minima. This paper presents the NLP and LP models considered and the necessary changes in order to obtain the two new BIP models. To validate the new mathematical models of coordination of overcurrent relays and compare them with the models which use continuous variables, the proposed methodology is applied in phase and earth protection of two test systems of different sizes considering whether or not the instantaneous unit of each relay. The results are evaluated in terms of the Objective Function, the obtained settings and operating times of relays for faults within the zone of primary protection. Thus, it is shown that the proposed models have the ability to determine the optimal solution of the problem in a reduced computational time and without the need to make any changes to the final solution. These models can also integrate a software aid to decision making by the protection engineer, allowing to interact in the construction of mathematical model to customize the final solution. / Este trabalho visa otimizar a coordenação de relés de sobrecorrente direcionais microprocessados em sistemas elétricos de potência com o auxílio da Programação Inteira Binária (PIB). Dois novos modelos matemáticos de PIB são apresentados. O primeiro determina somente o Multiplicador de Tempo de cada relé, enquanto que o segundo determina simultaneamente o Multiplicador de Tempo e o Multiplicador de Corrente de cada relé. Esses modelos possuem como grande vantagem em relação aos modelos de Programação Linear (PL) e de Programação Não Linear (PNL) a determinação dos ajustes dos relés diretamente dentro da faixa por estes disponibilizada, ao contrário desses últimos que utilizam variáveis contínuas. Dessa forma, evita-se o arredondamento dos ajustes para os valores mais próximos disponíveis nos relés, o que pode causar falhas na coordenação. Ainda, os algoritmos destinados à resolução desses modelos de PIB não necessitam de um valor inicial, ao contrário do que ocorre na PNL, e evita-se que a solução fique estagnada em ótimos locais durante o processo de busca. Este trabalho apresenta os modelos de PNL e PL considerados e as alterações necessárias para que se obtenha os dois novos modelos de PIB. Para validar os novos modelos de coordenação de relés de sobrecorrente e compará-los com os modelos que utilizam variáveis contínuas, a metodologia proposta é aplicada na proteção de fase e de neutro de dois sistemas teste de diferentes portes considerando, ou não, a unidade instantânea de cada relé. Os resultados são avaliados em termos da Função Objetivo, dos ajustes obtidos e dos tempos de operação dos relés para faltas dentro da zona de proteção primária. Desse modo, é demonstrado que os modelos propostos têm a capacidade de determinar a solução ótima do problema em um tempo computacional reduzido e sem a necessidade de se realizar quaisquer modificações na solução final. Esses modelos podem, ainda, integrar um software de auxílio à tomada de decisões por parte do engenheiro de proteção, permitindo a interação na construção do modelo matemático para que a solução final seja personalizada.

The objective of this master's thesis is new power converter design for bicycle with combustion engine and electric power transmission. The power converter is control by microprocessor and control algorithm is designed to achieve maximum efficiently of combustion engine. Converter and servomotor for controlling combustion engine throttle are located in metal box. Hardware, firmware and metal box are designed in the thesis.

This master‘s thesis focuses on optimization of power and control circuits of an inverter, which was developed at UVEE. The principle of function and circuit implementation of a single-phase inventer, various calculations (design of an LC filter, DC link capacitor, semiconductor elements and heat sink) are described in the thesis. A design of fast overcurrent protections, oscillator and saw signal generator is included. Furthermore, a printed circuit board was designed which was optimized by thermal simulation in the Workbench Ansys. Subsequently, the printed circuit board was mounted, debugged and verification measurements were performed on it. At the end of the thesis there is a documentation for the implemented equipment.