This thesis describes an investigation into the influences of arcing and conductor deflection due to magnetic forces on the accuracy of fault locator algorithms in electrical distribution networks. The work also explores the possibilities of using the properties of an arc to identify two specific types of faults that may occur on an overhead distribution line. A new technique using the convolution operator is introduced for deriving differential equation algorithms. The first algorithm was derived by estimating the voltage as an array of impulse functions while the second algorithm was derived using a piecewise linear voltage signal. These algorithms were tested on a simulated single-phase circuit using a PI-model line. It was shown that the second algorithm gave identical results as the existing dynamic integration operator type algorithm. The first algorithm used a transformation to a three-phase circuit that did not require any matrix calculations as an equivalent sequence component circuit is utilised for a single-phase to ground fault. A simulated arc was used to test the influence of the non-linearity of an arc on the accuracy of this algorithm. The simulations showed that the variation in the resistance due to arcing causes large oscillations of the algorithm output and a 40th order mean filter was used to increase the accuracy and stability of the algorithm. The same tests were performed on a previously developed fault locator algorithm that includes a square-wave power frequency proximation of the fault arc. This algorithm gave more accurate and stable results even with large arc length variations. During phase-to-phase fault conditions, two opposing magnetic fields force the conductors outwards away from each other and this movement causes a change in the total inductance of the line. A three dimensional finite element line model based on standard wave equations but incorporating magnetic forces was used to evaluate this phenomenon. The results show that appreciable errors in the distance estimations can be expected especially on poorly tensioned di stribution lines.New techniques were also explored that are based on identification of the fault arc. Two methods were successfully tested on simulated networks to identify a breakingconductor. The methods are based on the rate of increase in arc length during the breaking of the conductor. The first method uses arc voltage increase as the basis of the detection while the second method make use of the increase in the non-linearity of the network resistance to identify a breaking conductor. An unsuccessful attempt was made to identifying conductor clashing caused by high winds: it was found that too many parameters influence the separation speed of the two conductors. No unique characteristic could be found to identify the conductor clashing using the speed of conductor separation. The existing algorithm was also used to estimate the voltage in a distribution network during a fault for power quality monitoring purposes.

Voltage imbalance in low voltage (LV) networks is expected to deteriorate as low carbon technologies, e.g. electric vehicles (EVs) and heat pumps (HPs) are increasingly deployed. The new electrical demand attributable to EVs and HPs would increase the voltage magnitude variation, increasing the possibility of voltages moving outside the statutory LV magnitude limits. Moreover, the single-phase nature of EVs and HPs, which will be connected via a single-phase 'line & neutral' cable to a 3-phase four-wire LV mains cable buried beneath the street, further entangles this voltage management problem; the non-balanced voltage variations in the three phases boost the levels of voltage imbalance. Excessive voltage imbalance and magnitude variation need to be mitigated to limit their adverse effects on the electric network and connected plant. The voltage imbalance in LV networks is conventionally reduced by reinforcing the network, generally at a high cost. Some modern methods for voltage imbalance mitigation have been introduced in recent years. The power electronic converter based methods are inadequate due to the generation of harmonics, significant power losses and short lifetime. Besides, automatic supply phase selection and smart EV charging rely on an advanced smart communication system, which currently is not available. This project aims to develop alternative solutions that mitigate the voltage imbalance seen in LV networks. A voltage balancing method based on Scott transformer (ST) is proposed. This method does not generate harmonics and is independent of the smart communication system. Computer simulations demonstrated the proposed method is able to convert a non-balanced 3-phase voltage into a balanced 3-phase voltage at either a point on the LV feeder or a 3-phase load supply point with the predefined voltage magnitude. Besides, a physical voltage balancing system was created based on the proposed method and it was tested in an LV network in the laboratory. The test results show the balancing system is capable of maintaining a low level of voltage imbalance on the LV feeder by rapidly compensating for the voltage rises and sags caused by single-phase load variations. This voltage balancing method is a potential solution for the network utilities to accommodate the significant penetration of low carbon technologies without breaching the network voltage limits. The impact of EVs and HPs on the LV network voltages is investigated based on a Monte Carlo (MC) simulation platform, which comprises a statistical model of EV charging demand, profiles generators of residential and HP electrical demand, and a distribution network model. The MC simulation indicates the impact of EVs and HPs is related to their distribution; when more than 21EVs and 13HPs are non-evenly distributed on a 96-customer LV feeder, the voltage limits are likely to be violated. Moreover, the effectiveness of the ST based voltage balancing method and the demand response based TOU tariff, implemented either alone or together, in mitigating the impact of EVs and HPs is investigated based on the established MC simulation platform. The results indicate the ST based balancing method alone is able to completely mitigate the voltage limit violations regardless of the penetration levels of EVs and HPs. Moreover, using both of the two investigated methods further enhances the balancing effectiveness of the ST based voltage balancing method.

This dissertation deals with the challenge of power utility in South Africa which is on proactive detection of fallen power line conductors and real time sagging measurement together with slipping of such conductors. Various methods which are currently used for sag detection were characterized and evaluated to the aim of the research. A mathematical reconstruction done to estimate the lowest point of the conductor in a span is presented. Practical simulations and application of radio frequency identification (RFID) for sag detection is attempted through matlab software. RFID radar system is then analyzed in different modes and found to give precision measurement for sag in real time as opposed to global positioning system (GPS) if one dimension of the tag assumed fixed on the power line. Lastly errors detected on the measurements are corrected using a trainable artificial neural network. A conclusion is made by making recommendations in the advancement of the research. / Electrical Engineering / M. Tech. (Electrical Engineering)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta contribuições para algoritmos de controle utilizados em filtros ativos e híbridos conectados em redes elétricas trifásicas a 3 ou a 4 fios. Em relação aos algoritmos de controle para filtros ativos, a contribuição consiste em estender o conceito da filtragem harmônica seletiva para compensação de correntes harmônicas e desequilibradas em uma rede trifásica a 4 fios. Esses algoritmos derivam dos conceitos utilizados na teoria da potência instantânea (teoria pq), em conjunto com um circuito de sincronismo PLL. É importante ressaltar que estes algoritmos não utilizam as correntes consumidas pelas cargas, ou seja, apenas as tensões no ponto da rede onde o filtro está conectado são utilizadas para determinação das correntes harmônicas de referência. Apenas as correntes na saída do conversor são utilizadas como realimentação do controle PWM. Estes algoritmos também foram utilizados no filtro híbrido para compensação de correntes harmônicas em uma rede trifásica a 3 fios. Por fim foi feito uma alteração nesses algoritmos de controle que permite eliminar as correntes utilizadas na realimentação do controle PWM. Resultados de simulação são apresentados com objetivo de observar o comportamento desses algoritmos tanto no filtro ativo quanto no híbrido nas condições mencionadas. / This work presents some contributions involving control algorithms for active and hybrid filters connected in 3 or 4-wire three-phase electrical grids. In relation to the control algorithms for active filters, the contribution results from the extension involving the concepts of selective harmonic filtering to compensate unbalanced and harmonic currents in a 4-wire three-phase electrical grid. These algorithms derive from the instantaneous power theory (pq theory) together with a synchronizing PLL-circuit. It is important to mention that these algorithm do not use the currents consumed by the loads, i.e, only the voltages at the point common coupling (PCC) are used to determine the reference harmonic currents. Only the output converter currents were used as a feedback to the PWM control. These algorithms were also employed in a hybrid filter to compensate harmonic currents in a 3-wire three-phase electrical grid. Finally, some improvements on these control algorithms were done, such that the output converter currents used as a feedback of the PWM control were eliminated. Simulations results were provided in order to analyze the behavior of the active and hybrid filters in the aforementioned conditions.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-08-27Bitstream added on 2014-06-13T19:28:00Z : No. of bitstreams: 1 sampaio_lp_me_ilha.pdf: 1553174 bytes, checksum: 4a7ad1f1c4400135903509fd327b3112 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho propõe uma nova abordagem na metodologia de operação para o inversor Boost monofásico, como estrutura base para o aproveitamento de fontes alternativas e renováveis de energia elétrica. Considerando-se que equipamentos eletro/eletrônicos convencionais em CA (corrente alternada) necessitam, normalmente, de níveis e formato de tensão diferentes daqueles fornecidos por essas fontes de energia, o inversor proposto é uma estrutura integrada que tem a capacidade de operar como conversor elevador de tensão e inversor, apresentando um número reduzido de componentes e rendimento maior, quando comparado às formas tradicionais de se associar em cascata o conversor elevador com o inversor. O projeto convencional do inversor fonte de corrente (CSI) exige uma indutância elevada de entrada, além disso, o modelo a pequeno sinais do CSI é semelhante ao do conversor Boost no modo de condução contínua, apresentando um zero no semi-plano direito na função de transferência para o controle da tensão de saída, sendo que este zero causa o conhecido efeito de fase não-mínima. Desta forma, uma metodologia especial de projeto é apresentada resultando numa indutância Boost reduzida e numa técnica de controle utilizando um sistema multi-malhas, com alimentação direta, devidamente projetada de forma a possibilitar elevadas dinâmicas de transferência de energia. Adicionalmente, o inversor apresenta tensão de saída com reduzidas distorções harmônicas (DHT), número reduzido de componentes de potência e, consequentemente, elevada densidade de potência. Neste trabalho são apresentadas as análises qualitativa e quantitativa do inversor, a modelagem e técnica de controle proposta, metodologia de projeto, os principais resultados de simulação e experimentais com a finalidade de demonstrar a viabilidade de aplicação da proposta. / This work presents a new methodology for the operation and control of a single-phase current-source Boost Inverter, it is used as base structure for alternative and renewable electric energy sources. The electro/electronics devices normally require eletrical source in AC (alternate current) in different voltage levels and shapes those provided by the alternative and renewable electrical sources. The proposed inverter is an integrated structure able to operate as step-up DC-DC converter and inverter, it presents a reduced number of components, high efficiency when compared with the traditional technique of step-up and inverter for cascade association. The conventional design of current source inverter (CSI) require a large boost inductance, therefore, the small-signal model is similar to continuous-current-mode (CCM) Boost converter, which has a right-half-plane (RHP) zero in its control-to-output transfer function, and this RHP zero causes the well-known non-minimum-phase effects. In this context, a special design with small boost inductance and a multi-loop control is proposed in order to assure stability and very fast dynamics. Furthermore, the inverter presents output voltage with very low total harmonic distortion (THD), reduced number of components and high power density. In addition, this work presents the Boost CSI operation, the proposed control technique, the main simulation and experimental results in order to demonstrate the feasibility of the proposal.

Submitted by Marco Aurelio Rocha (rochamarco.eng@gmail.com) on 2018-04-19T12:44:32Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Marco_Rocha_FINAL.pdf: 4334808 bytes, checksum: bcc84d54c373bafcb2362766219becac (MD5) / Approved for entry into archive by Minervina Teixeira Lopes null (vina_lopes@bauru.unesp.br) on 2018-04-19T18:51:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rocha_ma_me_bauru.pdf: 4334226 bytes, checksum: d2b0086eaa88031ec113f8e0a415c74c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-19T18:51:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rocha_ma_me_bauru.pdf: 4334226 bytes, checksum: d2b0086eaa88031ec113f8e0a415c74c (MD5) Previous issue date: 2018-03-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Esta dissertação apresenta a análise, modelagem e controle vetorial de um sistema de geração eólica tendo um gerador de indução duplamente alimentado como máquina primária e equipado com um conversor back-to-back para gerenciamento da potência entregue ou absorvida da rede elétrica, independentemente do tipo de carga instalada, por meio de compensação de reativos e filtragem ativa das correntes da rede. Para atingir este objetivo, a modelagem do sistema, bem como o projeto dos controladores foram desenvolvidos no ambiente de simulação Matlab®/Simulink®, em que o controle do conversor do lado do rotor realiza a regulação do torque e o controle de potência ativa e reativa, enquanto que o controle do conversor do lado da rede tem a função de manter a tensão do link-CC constante e produzir fator de potência unitário, compensando reativos oriundos do sistema de geração eólica e da carga instalada e atuando como um filtro ativo de potência, melhorando o índice de distorção harmônica da corrente da rede. Além disso, controladores proporcionais-ressonantes foram utilizados a fim de mitigar harmônicos gerados pelo conversor atuando no modo retificador. Também foi realizado o controle do ângulo de passo das pás da turbina, com a finalidade de obter a máxima potência para qualquer velocidade do vento. Os resultados obtidos permitiram avaliar o desempenho dos controladores, de modo que o fator de potência foi mantido unitário para variações abruptas de carga. Tem-se compensação harmônica para cargas não-lineares sendo extraída e gerada a máxima potência oriunda do vento. / This dissertation presents the analysis, modeling and vector control of a wind power system with a doubly-fed induction generator as a primary machine and equipped whit a back-to-back converter to manage power delivered to or absorbed from the grid, independently of the installed load type, through reactive compensation and active filtering of grid currents. To achieve this goal, the system modelling and the controller design was developed in the Matlab®/Simulink® software, where the rotor-side converter control regulates torque and control active and reactive power. The grid-side converter control has the function of maintaining the DC link voltage constant and produce unit power factor, compensating reactive power from the wind generation system and the installed load and acting as an active power filter, which improves the total harmonic distortion of the grid current. In addition, proportional-resonant controller was used to mitigate harmonics generated by the converter acting in the rectifier mode. The pitch angle controller also was made in order to obtain the maximum power for any wind speed. The results obtained allowed to evaluate the performance of the controllers, so that the power factor was unit for abrupt loads variation, there was harmonic compensation for nonlinear loads and the maximum power from the wind was extracted and generated. / CNPq: 13.2999/2016-1

CAPES / As variações de tensão de curta duração são perturbações típicas nos sistemas de distribuição de energia elétrica que afetam de forma significativa a qualidade da energia. Os equipamentos típicos para a regulação de tensão dispostos nas redes de distribuição em geral não são capazes de mitigar variações de tensão de curta duração. Entretanto, as unidades de geração distribuída conectadas aos sistemas de distribuição, considerando estratégias de controle adequadas, podem ser capazes de mitigar variações de tensão de curta duração nas proximidades do ponto de conexão. Nesse contexto, o presente trabalho propõe a mitigação de variações de tensão de curta duração a partir da utilização de unidades eólicas de geração baseadas em gerador síncrono de imã permanente (GSIP) conectado a rede por um conversor estático de potência. A mitigação das variações de tensão é feita por meio de uma malha de controle suplementar proposta aplicada ao controle tradicional do conversor do lado da rede. A estratégia de controle proposta explora a capacidade de operação em sobrecarga de corrente da unidade eólica e é capaz de mitigar variações de tensão de curta duração em sistemas de distribuição. A malha de controle suplementar proposta limita a geração de potência reativa na capacidade máxima de sobrecarga da unidade geradora, respeitando o limite térmico do conversor estático de energia. Além da malha de controle suplementar, uma metodologia baseada em estudos estáticos de fluxo de potência é proposta com o objetivo de avaliar a capacidade de regulação de tensão da geração eólica associada à malha de controle proposta. A capacidade da malha de controle proposta em mitigar as variações de tensão de curta duração é avaliada por meio de simulações não lineares no domínio do tempo envolvendo uma rede de distribuição com cargas concentradas. Diferentes níveis de inserção da geração eólica na rede de distribuição e outros fatores que impactam diretamente na regulação de tensão são considerados nos testes realizados. Os estudos realizados demonstram que utilização da estratégia de controle proposta aplicada a unidades eólicas de geração pode contribuir significativamente para a manutenção do perfil de tensão durante ocorrências de variações de tensão de curta duração. / The short duration voltage variations are typical disturbances that significantly affect the power quality in distribution systems. The typical devices for voltage support and regulation, distributed along the distribution networks, are generally not capable of mitigating short duration voltage variations. However, distributed generation units connected to the distribution system, when associated with suitable control strategies, can be able to mitigate short duration voltage variations. In this context, this paper proposes the mitigation of short duration voltage variations by using wind power generating units based on permanent magnet synchronous generator (PMSG) connected to the network by static power converter. The voltage variation mitigation is performed by means of a supplementary control loop added to the traditional control of the grid-side converter. The proposed control strategy takes advantage of the overload capability of the wind generation unit and it is able to mitigate short duration voltage variations in distribution systems. The proposed supplementary control loop limits the generated reactive power based on the overload capability of the generation unit, avoiding that the power electronic converter exceeds its thermal limit. Besides the proposed supplementary control loop, a methodology based on power flow studies is proposed in order to evaluate the voltage regulation capability of the wind generation associated with the proposed control loop. The performance and effectiveness of the control strategy proposed to mitigate short duration voltage variations is evaluated by means of time-domain non-linear simulations regarding a distribution network with lumped load. Different levels of integration of wind generation on the distribution network and other factors that directly impact on voltage regulation are considered in the tests. The performed evaluations have demonstrated that the proposed control strategy, applied to wind generation units, can significantly contribute to the maintenance of the voltage profile of distribution systems during the occurrence of short duration voltage variations.

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Banca: Falcondes Jose Mendes de Seixas / Banca: Denizar Cruz Martins / Resumo: Este trabalho propõe uma nova abordagem na metodologia de operação para o inversor Boost monofásico, como estrutura base para o aproveitamento de fontes alternativas e renováveis de energia elétrica. Considerando-se que equipamentos eletro/eletrônicos convencionais em CA (corrente alternada) necessitam, normalmente, de níveis e formato de tensão diferentes daqueles fornecidos por essas fontes de energia, o inversor proposto é uma estrutura integrada que tem a capacidade de operar como conversor elevador de tensão e inversor, apresentando um número reduzido de componentes e rendimento maior, quando comparado às formas tradicionais de se associar em cascata o conversor elevador com o inversor. O projeto convencional do inversor fonte de corrente (CSI) exige uma indutância elevada de entrada, além disso, o modelo a pequeno sinais do CSI é semelhante ao do conversor Boost no modo de condução contínua, apresentando um zero no semi-plano direito na função de transferência para o controle da tensão de saída, sendo que este zero causa o conhecido efeito de fase não-mínima. Desta forma, uma metodologia especial de projeto é apresentada resultando numa indutância Boost reduzida e numa técnica de controle utilizando um sistema multi-malhas, com alimentação direta, devidamente projetada de forma a possibilitar elevadas dinâmicas de transferência de energia. Adicionalmente, o inversor apresenta tensão de saída com reduzidas distorções harmônicas (DHT), número reduzido de componentes de potência e, consequentemente, elevada densidade de potência. Neste trabalho são apresentadas as análises qualitativa e quantitativa do inversor, a modelagem e técnica de controle proposta, metodologia de projeto, os principais resultados de simulação e experimentais com a finalidade de demonstrar a viabilidade de aplicação da proposta. / Abstract: This work presents a new methodology for the operation and control of a single-phase current-source Boost Inverter, it is used as base structure for alternative and renewable electric energy sources. The electro/electronics devices normally require eletrical source in AC (alternate current) in different voltage levels and shapes those provided by the alternative and renewable electrical sources. The proposed inverter is an integrated structure able to operate as step-up DC-DC converter and inverter, it presents a reduced number of components, high efficiency when compared with the traditional technique of step-up and inverter for cascade association. The conventional design of current source inverter (CSI) require a large boost inductance, therefore, the small-signal model is similar to continuous-current-mode (CCM) Boost converter, which has a right-half-plane (RHP) zero in its control-to-output transfer function, and this RHP zero causes the well-known non-minimum-phase effects. In this context, a special design with small boost inductance and a multi-loop control is proposed in order to assure stability and very fast dynamics. Furthermore, the inverter presents output voltage with very low total harmonic distortion (THD), reduced number of components and high power density. In addition, this work presents the Boost CSI operation, the proposed control technique, the main simulation and experimental results in order to demonstrate the feasibility of the proposal. / Mestre

CNPq, CAPES / O presente trabalho inclui a revisão das normas de qualidade de energia elétrica, a fim de normatizar o desenvolvimento do projeto seguindo normas nacionais e internacionais; a simulação de algoritmos como CFA e FFT, a fim de verificar a viabilidade de seu uso, bem como as limitações associadas ao processamento de formas de onda fortemente distorcidas. Inclui também a proposição e a verificação de um algoritmo capaz de calcular os índices (selecionados durante a revisão das normas) que pudessem avaliar a qualidade de energia através de sinais de tensão e corrente. Para o desenvolvimento do protótipo, foram selecionados sensores de tensão e de corrente confiáveis para o sistema de aquisição; um DSP, que executa os algoritmos previamente simulados, processando em tempo real os sinais adquiridos pelos sensores, a fim de reportar o estado da rede elétrica e/ou eventos ocorridos na rede através de um módulo ZigBee, responsável pela transmissão desses dados de forma segura. A classe de eventos de variação de tensão de curta duração foi incluída no processamento em tempo real realizado pelo DSP. Devido à imprevisibilidade e à rapidez da ocorrência desses eventos, foi desenvolvida uma ferramenta capaz de gerar essa classe de eventos, o gerador de VTCD. A análise de QEE em tempo real se mostrou viável mesmo com a utilização de dispositivos de baixo custo, permitindo, ainda que com algumas limitações, o levantamento de informações de QEE às quais cargas conhecidas estavam submetidas. / The present document includes a comprehensive literature review on power quality issues, to keep the development of this project aligned with national and international standards related; simulation algorithms such as FFT and CFA in order to verify the feasibility of its use, as well as limitations associated with the processing of strongly distorted waveform. It also includes the proposal and verification of an algorithm able to calculate the indices (selected during the standards review) that could assess the power quality through voltage and current signals. For prototype development, voltage and current sensors were selected for reliable acquisition system; a DSP, which running the previously simulated algorithms in order to process in real time the acquired voltage and current signals provided by sensors in order to report the status of the mains grid and/or events occurrence on the network through a ZigBee module, responsible for safety transmission data. The short term voltage change events class was also included in the real time processing performed by the DSP. Due to the unpredictability and short duration of these events, it was developed a tool capable of generating this class of events, the STVC generator. The PQ analysis in real time was feasible even with the use of low cost devices, allowing, although with some limitations, the survey of PQ information which known loads was submitted.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta contribuições para algoritmos de controle utilizados em filtros ativos e híbridos conectados em redes elétricas trifásicas a 3 ou a 4 fios. Em relação aos algoritmos de controle para filtros ativos, a contribuição consiste em estender o conceito da filtragem harmônica seletiva para compensação de correntes harmônicas e desequilibradas em uma rede trifásica a 4 fios. Esses algoritmos derivam dos conceitos utilizados na teoria da potência instantânea (teoria pq), em conjunto com um circuito de sincronismo PLL. É importante ressaltar que estes algoritmos não utilizam as correntes consumidas pelas cargas, ou seja, apenas as tensões no ponto da rede onde o filtro está conectado são utilizadas para determinação das correntes harmônicas de referência. Apenas as correntes na saída do conversor são utilizadas como realimentação do controle PWM. Estes algoritmos também foram utilizados no filtro híbrido para compensação de correntes harmônicas em uma rede trifásica a 3 fios. Por fim foi feito uma alteração nesses algoritmos de controle que permite eliminar as correntes utilizadas na realimentação do controle PWM. Resultados de simulação são apresentados com objetivo de observar o comportamento desses algoritmos tanto no filtro ativo quanto no híbrido nas condições mencionadas. / This work presents some contributions involving control algorithms for active and hybrid filters connected in 3 or 4-wire three-phase electrical grids. In relation to the control algorithms for active filters, the contribution results from the extension involving the concepts of selective harmonic filtering to compensate unbalanced and harmonic currents in a 4-wire three-phase electrical grid. These algorithms derive from the instantaneous power theory (pq theory) together with a synchronizing PLL-circuit. It is important to mention that these algorithm do not use the currents consumed by the loads, i.e, only the voltages at the point common coupling (PCC) are used to determine the reference harmonic currents. Only the output converter currents were used as a feedback to the PWM control. These algorithms were also employed in a hybrid filter to compensate harmonic currents in a 3-wire three-phase electrical grid. Finally, some improvements on these control algorithms were done, such that the output converter currents used as a feedback of the PWM control were eliminated. Simulations results were provided in order to analyze the behavior of the active and hybrid filters in the aforementioned conditions.