Havendo qualquer distúrbio em um determinado sistema de distribuição de energia elétrica na presença de geradores distribuídos (GDs), é procedimento habitual exigido pelas concessionárias a desconexão destes na intenção de evitar a formação de um sistema ilhado eletricamente sustentado. Este procedimento tem como objetivo evitar maiores danos tanto ao sistema elétrico como um todo, principalmente ao próprio gerador distribuído, bem como às pessoas envolvidas na manutenção desse sistema. Entretanto, esse fato diminui consideravelmente as contribuições do conceito de geração distribuída à melhoria da qualidade dos serviços de fornecimento de energia elétrica por parte das concessionárias. Neste contexto, este trabalho possui como objetivo analisar os requisitos técnicos necessários para viabilizar a operação ilhada dos geradores distribuídos. Sabendo que a maioria das cargas presentes em um sistema de distribuição é dependente dos níveis de tensão e frequência da energia de suprimento, a análise e o monitoramento dessas grandezas antes e durante o ilhamento deverão ocorrer de forma que não se perca a estabilidade da rede ilhada. Para isto, devem ser avaliadas alterações nos métodos de operação e controle dos geradores distribuídos, de maneira a atender os requisitos técnicos necessários para manter a tensão e a frequência dentro dos parâmetros de qualidade de energia elétrica. Foram propostos quatro índices de desempenho para avaliar a qualidade da energia elétrica no sistema ilhado. Os resultados obtidos demonstram a necessidade de efetuar ações corretivas eficientes para manter o sistema elétrico ilhado operando dentro dos padrões aceitáveis de qualidade de energia elétrica. Foram investigadas soluções potenciais e viáveis para garantir a operação da ilha estável e com qualidade da energia elétrica. Além disso, observou-se que cargas dependentes da tensão podem influenciar significativamente a capacidade do GD em formar de ilhas estáveis. / If disturbances occur in a power distribution systems in the presence of distributed generators (DGs), a common practice required by utilities is to disconnect such generators, aiming at avoiding a self-sustained energized island. This procedure is required on order to prevent damage to the whole distribution system, mainly the DG, and to the utility maintenance personnel, as well. However, this requirement may decrease the possible contributions of the distributed generation concepts to the quality of the power supply. In this context, this work aims at analyzing the technical requirements related to make DGs islanded operation feasible. Since most of the loads are dependent on the supply voltage and frequency, the analysis and monitoring of such quantities before and after an islanding event should occur in such a way that the stability of the energized island is granted. To reach such a goal, changes in the DG control modes must be assessed, so that the technical requirements necessary to keep voltage and frequency within statutory limits are fulfilled. Four performance indices have been proposed to assess the power quality in the islanded system. The results have shown the need to perform efficient corrective actions to ensure reliable islanded operation. Moreover, it was observed that voltage-dependent loads may influence the DG capability to sustain stable islands.

O ilhamento intencional quando desenvolvido em modo seguro pode ser considerado uma solução viável à promoção da confiabilidade das redes elétricas na presença de geradores distribuídos. Diante disso, esta tese de doutorado propõe metodologias que definem os ajustes das proteções do ponto de acoplamento comum e do gerador para viabilizar tecnicamente o ilhamento intencional, permitindo também avaliar a probabilidade de sucesso deste quando não planejado por um período de operação da rede. As metodologias propostas consideram os relés de deslocamento de fase ou \"salto de vetor\", relés de taxa de variação de frequência e os relés de sub/sobrefrequência convencionais. Estas metodologias baseiam-se na associação direta do tempo de detecção do ilhamento e do tempo de restrição. Estes tempos são oriundos da capacidade de detecção de ilhamento do relé baseado em medidas de frequência do ponto de acoplamento comum e da proteção do gerador. Os resultados foram consistentes e além de determinar a viabilidade técnica do ilhamento intencional de geradores distribuídos, permitiram avaliar a probabilidade de sucesso do ilhamento intencional. Adicionalmente, as metodologias permitiram definir quando possível os ajustes das proteções mais adequados à operação segura da ilha. / The intentional islanding when perfomed in a safe way can be considered a viable solution to the promotion of the reliability of the electrical networks in the presence of distributed generators. In this context, this doctoral thesis proposes methodologies that define the adjustments of the protections of the point of common coupling and the generator to technically enable the intentional islanding and allow to evaluate the probability of successful islanded operation. The proposed methodologies consider the vector surge or \"vector jump relays\", the rate of change of frequency and conventional under/overfrequency relays for islanding detection purposes, and the under/overfrequency relays to protect the generator. These methodologies are based on the direct association of the islanding detection time and the restriction time, and on their relation with the active power imbalance of the island. The detection and restriction times are derived from the islanding detection capability of the previous-mentioned relays, and from the generator protection, respectivelly. The results showed that the methodologies were able to identify favourable conditions for a successful islanded operation, and allowed assessing its probability of occurrence given different conditions of load and generation power imbalance. Additionally, the methodologies allowed to define, when possible, the adjustments of the most adequate protections for the isolated operation of the microgrid.

Este trabalho de mestrado está relacionado com a análise do comportamento dinâmico de turbinas eólicas equipadas com gerador síncrono com excitação a ímãs permanentes operando durante contingências na rede elétrica e com variação na velocidade do vento. Tal configuração tem muitas vantagens quando comparada com a configuração atualmente utilizada pelos principais fabricantes de turbinas eólicas de grande porte. A principal delas é devido ao fato de não utilizar caixas de engrenagens. Porém, o impacto na rede elétrica com a conexão de tal configuração deve ser minimizado melhorando as condições operativas no ponto de conexão da fazenda eólica. Desta forma, o projeto em questão visa investigar formas de diminuir os impactos negativos causados e melhorar a estabilidade do sistema, principalmente, no ponto de conexão à rede elétrica Portanto, o projeto de pesquisa deste mestrado está relacionado ao desenvolvimento de modelos computacionais que representem tal tecnologia, considerando os principais componentes e controles utilizando o software de simulação PSCAD. Também são incluídos novos métodos de controle e elementos adicionais que melhoram a confiabilidade e o nível de penetração de parques eólicos com geradores a ímãs permanentes. Ressalta-se que tais modelos não estão disponíveis de forma completa no software citado acima, portanto foram desenvolvidos partindo de modelos genéricos existentes. Todas as partes do modelo foram realizadas com elementos básicos acessíveis em qualquer programa de simulação, de modo que qualquer engenheiro ou pesquisador possa programar este mesmo modelo em qualquer software. Esta dissertação começa com uma breve descrição do modelo desenvolvido, incluindo o modelo aerodinâmico das turbinas eólicas, o controle do conversor do lado do gerador, o controle do conversor do lado da rede e o sistema de proteção do link de corrente contínua. Com o modelo desenvolvido, analisa-se a operação do gerador síncrono a imãs permanentes durante contingências na rede. A aplicação de um sistema avançado de armazenamento de energia e a possibilidade de suporte de frequência à rede elétrica também foram desenvolvidos e analisados. Considerando os resultados obtidos, podemos verificar que a conexão de parques eólicos equipados com geradores síncronos com excitação a ímãs permanentes pode trazer benefícios para a rede elétrica, quando o seu potencial de controle e de operação é utilizado. Mais detalhes podem ser verificados nos capítulos a seguir. / This master\'s project aims to study the behavior of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator, operating during contingencies and changes in wind speed. This configuration has many advantages compared with configurations currently used by leading manufacturers of large wind turbines. The main one is due to the fact of use smaller gearboxes or even gearless turbines. However, the impact on the electrical grid connection of this configuration should be minimized by improving the operating conditions at the connection point of the wind farm. Thus, this project aims to investigate ways to reduce the negative impacts and improve the system stability, especially at the grid connection point. This work employs the simulation software PSCAD for developing a computational model of this technology, considering the main components and controls. New control methods and additional features are included, for improving the reliability and the level of penetration of wind farms with permanent magnet generators in the power system. It is noteworthy that such models are not available in the simulation software PSCAD; therefore it was developed from existing generic models. All parts of the model were done with basic elements; as a result any engineer or researcher can program this same model in any software. This work begins with a brief description of the developed model, including: the aerodynamic model of the wind turbines, the control of the generator side converter, the control of the grid side converter and the protection system of the Link-DC. With this model, the operation of the permanent magnet synchronous generator was analyzed during network contingencies. The application of a sophisticated energy storage system for frequency support was also both developed and analyzed. The connection of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator has advantages when its potential for control and operation is used. More details can be checked in the following chapters.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

The Brazilian transmission system covers a large area, with a high concentration of consumer centres in the Southeast region and abundant hydro generation in the North. To connect these regions, some of the transmission lines might reach 2500 km length, creating a challenging situation. In this context, system planners have been defining the use of HVDC systems as the most feasible choice of transmission investment. It is so, recognized that the connections of power plants in the Northern region to the load centres in the Southeast will require a significant number of bipoles and, until the present moment, all the operational and planned HVDC lines are based on the converter technology known as LCC (Line Commutated Converter) and consequently subject to commutation failure. Currently, the Brazilian system has four LCC bipoles, with two other bipoles under construction. Although the Southeast grid is strong, the connection of two additional bipoles is a concern as the interaction between these inverters may cause strong effects on one another, a phenomenon known as multi-infeed interaction. In such a situation, the assessment of the system operation, possible outages and possible mitigation methods are of paramount importance. This document presents a different methodology for the analysis of the multi-infeed system mentioned and focuses on its validation by analysing operation under normal conditions and with the implementation of established mitigation methods. The investigation was carried out with EMT, power flow, short-circuit and electromechanical softwares in a very large AC system composed by 100 buses on EMT and full Brazilian system on the rest. The effects of faults were analysed and the areas containing the buses where a fault leads to multiple commutation failures were identified. / O sistema de brasileiro de transmissão abrange uma área ampla, com uma alta concentração de consumo na região Sudeste e abundante geração hidrelétrica no Norte. Para conectar essas regiões, algumas das linhas de transmissão podem alcançar comprimentos de 2500 km, criando uma situação desafiadora. Neste contexto, os planejadores de sistemas têm definido o uso de sistemas HVDC como a escolha mais viável de investimento em transmissão. É então reconhecido que as conexões de usinas na região Norte aos centros consumidores no Sudeste exigirão um número significativo de bipolos e, até o momento presente, todas as linhas HVDC operacionais e planejadas são baseadas na tecnologia de conversão conhecida como LCC (Line Commutated Converter) e consequentemente sujeito a falha de comutação. Atualmente, o sistema brasileiro tem quatro bipolos LCC, com outros dois bipolos em construção. Embora a rede do Sudeste seja considerada forte, a conexão de dois bipolos adicionais é uma preocupação, pois a interação entre esses inversores pode causar efeitos danosos uns sobre os outros, um fenômeno conhecido como interação multi-infeed. Em tal situação, a avaliação da operação do sistema, possíveis interrupções e possíveis métodos de mitigação são de suma importância. Este documento apresenta uma metodologia diferente para a análise do sistema multi-infeed mencionado e foca em sua validação, analisando a operação em condições normais e com a implementação de métodos de mitigação conhecidos. A investigação foi realizada com softwares EMT, de curto circuito, fluxo de potência e estabilidade eletromecância em um sistema CA muito grande composto por 100 barras em EMT e sistema brasileiro completo no resto. Os efeitos das falhas foram analisados e as áreas que contêm as barras onde uma falha leva a múltiplas falhas de comutação foram identificadas.

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.

Visando uma opção de substituição, onde for possível e aplicável, do motor de indução monofásico, este trabalho relata o estudo teórico, a construção, o acionamento e os ensaios de um motor bifásico com ímã permanente no rotor, de baixa potência, utilizando imãs de ferrita na confecção do rotor. / This work shows the theoretical studies, building, driving systems and tests of a small-power double-phase motor with ferrite permanent-magnet in the rotor, based on the original structure of a single-phase induction motor. The objective is to create an option to replace the single-phase induction motor where it is possible and applicable.

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.