Nesta dissertação, é apresentada uma metodologia para cálculo de afundamentos de tensão na presença de fontes alternativas de energia. Um método para determinar o grau de influência da reatância de outras unidades geradoras conectadas ao sistema elétrico no que se refere a afundamentos de tensão é desenvolvido. É utilizada a matriz impedância de barras – Zbus para a obtenção de expressões analíticas para a magnitude de afundamentos de tensão causados por faltas na rede. Uma análise matemática das expressões obtidas e uma análise de sensibilidade são feitas com observações acerca das características propiciadas pela inserção de novas fontes de geração. As expressões analíticas são utilizadas para classificar as barras quanto ao número de afundamentos causados por faltas trifásicas e fase-terra em todas as barras do sistema. De maneira similar, a alocação de uma unidade de geração específica é feita com o objetivo de reduzir o número de afundamentos de tensão observados na rede. As expressões em termos da reatância do gerador são usadas na solução de um conjunto de inequações observando a necessidade da manutenção de níveis mínimos aceitáveis de tensão requisitados por cargas sensíveis, a relação entre a reatância do novo gerador e sua capacidade de mitigação de afundamentos fica evidenciada. / This work presents a methodology for voltage sags analysis in the presence of alternative energy sources. The method determines the degree of influence of the reactance from the new generating units connected to the electrical system with regard to voltage sags magnitudes. The impedance matrix – Zbus is used to obtain analytical expressions voltage sags magnitude caused by faults in the grid. A mathematical analysis of the obtained expressions and a sensitivity analysis are made with observations about the characteristics afforded by the inclusion of new generation sources. The analytical expressions are used to rank the bars as the number of sags caused by three-phase and phase to ground faults on all system buses. Similarly, the allocation of a specific generation unit is done in order to reduce the number of voltage sags over the grid. The expressions in terms of the generator reactance are used on solving a set of inequalities, observing the need to maintain minimum acceptable voltage levels required by sensitive loads, the relationship between the reactance of the new generator and its sag mitigation capability is evidenced.

O avanço crescente da tecnologia nos processos industriais atuais, bem como o elevado grau de interação de equipamentos e processos, provocou o aumento da sua sensibilidade a variações de energia, ou o aumento do grau de sensibilidade de algumas cargas industriais, o que gera interrupções de produção industrial. Essas, ocasionadas por problemas de qualidade de energia, levam a diversos fatores indesejáveis às indústrias, tais como: perdas de produção, perdas de faturamento, perda de matéria-prima, uso irracional de energia, dentre outros. Um processo têxtil apresenta grandes perdas de produção quando ocorrem esses eventos. Esta dissertação apresenta uma série seqüencial de procedimentos técnicos adotados experimentalmente em duas plantas de fiação sintética, para mitigar o impacto da qualidade de energia numa indústria química-têxtil. O problema de qualidade de energia estudado foi a variação de tensão de curta duração (VTCD), especificamente os afundamentos de tensão, sobre uma carga crítica. Quando esses eventos ocorriam, havia um grande volume de perdas no processo, em função da descontinuidade operacional provocada por esses afundamentos de tensão. Por meio de procedimentos foi possível identificar a carga crítica, no caso, os conversores estáticos de freqüência utilizados amplamente nesse processo. Uma vez identificada essa carga, foi possível a realização de intervenções objetivando reduzir a sua sensibilidade. Dois experimentos realizados através de um painel que simulou a situação do processo, com testes de afundamentos de tensão em conversores estáticos de freqüência, além de outros trabalhos experimentais utilizados como referências nessa dissertação, serviram como complemento para a conclusão. As intervenções realizadas tiveram como conseqüência a melhoria de qualidade do produto, aumento da produtividade, além de grande retorno financeiro. / The increasing evolution of technology in the current industrial processes, as well as the high interaction degree of equipment items and processes, have caused the increase in their sensitivity to voltage variations. The increase of sensitivity in some industrial loads generates interruptions in the industrial production. That happens due to power quality problems, which causes many undesired effects to the industries, such as losses in production, invoicing and raw material, unreasonable use of energy, among others. A textile process presents large production losses whenever these events in the process occur. This dissertation presents a sequence of technical procedures adopted experimentally in two yarn plants, to mitigate and reduce the impact of power quality problems in the chemical textile plant. The problem of power quality studied was short duration voltage variations, specifically the voltage sags. These events lead to a big volume of loss in the process, by operational disruption of sensitivity loads provoked by the voltage sags. By means of the proposed procedures it was possible to identify the critical load, in this case the ASD (Adjustable Speed Drive), a kind of load used extensively in the textile process; once identified this load, it was possible to carry out interventions aiming at the reduction of loads sensitivities. Two experiences were realized through a panel that simulated the process, by applying voltage sags to the drivers - ASD (Adjustable Speed Drive). Besides that other research works surveyed to complement and conclude this dissertation. The interventions realized have had as consequence the improvement in the product quality, increasing productivity, as well as an excellent payback.

Increased government funding and incentives in recent years has led to an increase in the number of grid-tied renewable energy sources as their economic benefits become more renowned. Unfortunately, the outputs of these renewable resources are often highly variable, resulting in undesirable voltage disruptions that are harmful to sensitive loads. In addition to the energy variability of renewable energy sources, random voltage sags, swells and disruptions are already a major issue in power systems. Recent advances in power electronic devices have provided a platform for new solutions to the voltage support problem in power systems. One promising solution is the Dynamic Voltage Regulator (DVR), a series compensating device used to protect a sensitive load that is connected downstream from voltage sag or swell. For this thesis, the design, modeling, and analysis of a DVR system were performed using PSCAD software. Results from simulation demonstrate the DVR’s effectiveness in protecting a sensitive load from load and source side voltage disturbances as well as regulate the load bus voltage to its rated value.

The thesis deals with the application of compensators andswitches based on power electronics in AC transmission anddistribution systems. The objective of the studieddevices/equipment is the power flow and voltage control intransmission systems and the mitigation of voltage sags andmomentary interruptions to critical loads in distributionsystems. For validating the power electronics based devices/equipmentdescribed in the thesis, scaled models at a real-time simulatorhave been built. Simulation results of these models arepresented and discussed in the thesis. The equipment studied in the thesis exploit the fast controlactions that can be taken by power electronics devices, whichare much faster than the speed of conventional equipment andprotection systems, based on electromechanical devices. In thisway, the power quality of distribution systems is improved,regarding duration and magnitude of voltage sags (dips) andmomentary interruptions, which are the most relevant types ofdisturbances in distribution systems. The thesis presents some compensators based onforced-commutation voltage-source converters for correctingvoltage sags and swells to critical loads. The seriesconverter, usually denoted Dynamic Voltage Restorer (DVR), hasbeen proved suitable for the task of compensating voltage sagsin the supply network. The use of solid-state devices ascircuit breakers in distribution systems has also been studiedwith the objective of achieving fast interruption or limitationof fault currents. The location and practical aspects for theinstallation of these solid-state breakers are presented. Ithas beenshown that a configuration based on shunt and seriesconnected solid-state devices with controllable turn-offcapability can also provide voltage sag mitigation, without theneed of transformers and large energy storage elements. The operation and control of two Flexible AC TransmissionSystem (FACTS) devices for voltage and power flow control intransmission systems, namely the Static Synchronous Compensator(STATCOM) and the Unified Power Flow Controller (UPFC),respectively, are also studied. A faster response compared totraditional equipment consisting of mechanically based/switchedelements is then achieved. This allows a more flexible controlof power flow and a secure loading of transmission lines tolevels nearer to their thermal limits. The behaviour of thesedevices during faults in the transmission system is alsopresented. Keywords: power electronics, power quality, voltagesags, voltage-source converters, Custom Power, FACTS, real-timesimulations, solid-state devices.

<p>The thesis deals with the application of compensators andswitches based on power electronics in AC transmission anddistribution systems. The objective of the studieddevices/equipment is the power flow and voltage control intransmission systems and the mitigation of voltage sags andmomentary interruptions to critical loads in distributionsystems.</p><p>For validating the power electronics based devices/equipmentdescribed in the thesis, scaled models at a real-time simulatorhave been built. Simulation results of these models arepresented and discussed in the thesis.</p><p>The equipment studied in the thesis exploit the fast controlactions that can be taken by power electronics devices, whichare much faster than the speed of conventional equipment andprotection systems, based on electromechanical devices. In thisway, the power quality of distribution systems is improved,regarding duration and magnitude of voltage sags (dips) andmomentary interruptions, which are the most relevant types ofdisturbances in distribution systems.</p><p>The thesis presents some compensators based onforced-commutation voltage-source converters for correctingvoltage sags and swells to critical loads. The seriesconverter, usually denoted Dynamic Voltage Restorer (DVR), hasbeen proved suitable for the task of compensating voltage sagsin the supply network. The use of solid-state devices ascircuit breakers in distribution systems has also been studiedwith the objective of achieving fast interruption or limitationof fault currents. The location and practical aspects for theinstallation of these solid-state breakers are presented. Ithas beenshown that a configuration based on shunt and seriesconnected solid-state devices with controllable turn-offcapability can also provide voltage sag mitigation, without theneed of transformers and large energy storage elements.</p><p>The operation and control of two Flexible AC TransmissionSystem (FACTS) devices for voltage and power flow control intransmission systems, namely the Static Synchronous Compensator(STATCOM) and the Unified Power Flow Controller (UPFC),respectively, are also studied. A faster response compared totraditional equipment consisting of mechanically based/switchedelements is then achieved. This allows a more flexible controlof power flow and a secure loading of transmission lines tolevels nearer to their thermal limits. The behaviour of thesedevices during faults in the transmission system is alsopresented. Keywords: power electronics, power quality, voltagesags, voltage-source converters, Custom Power, FACTS, real-timesimulations, solid-state devices.</p>

Present day electrical equipment is rapidly becoming more and more sensitive to power quality problems, especially voltage sags. Various voltage sag correction devices are avaliable. This thesis analyzes a two-switch, single-phase electronic voltage regulator for correcting voltage sags. The theory of this voltage regulator has been investigated. An analytical method for sizing the energy storage capacitors has been established. The voltage regulator has been modeled and its steady-state and dynamic behavior has been studied by means of detailed computer simulations. A 220-V, 50-Hz, 1-kW rated regulator has been designed, simulated, and built. The results on the performance of voltage regulator and conclusions are also given.

A inserção de fontes de geração distribuída (GD) traz a possibilidade de diversificação da matriz energética e a redução de perdas elétricas no transporte de EE – porque as fontes localizam-se próximas aos clientes finais. Entre elas destacam-se as fontes fotovoltaicas, eólicas, pequenas centrais hidrelétricas (PCH) e termelétricas à biomassa. As duas primeiras, apresentam a peculiaridade de normalmente serem conectadas à rede através de inversores de frequência. As outras duas costumam ser conectadas diretamente ao sistema. Todavia, a GD também propicia consequências ao SEP, muitas vezes indesejadas, como variações nos parâmetros da qualidade da energia elétrica (QEE). O compromisso que se deve manter com a QEE entregue aos consumidores é de vital importância para as empresas transmissoras e distribuidoras de energia elétrica, bem como para os utilitários dessa EE. Além disso, para que haja o correto funcionamento de equipamentos eletrônicos e de diversos processos industriais é necessário que a energia elétrica permaneça em uma faixa de tensão aceitável. Entre os fenômenos de interesse da área de qualidade de energia elétrica, os quais devem ser eliminados ou mitigados para a melhor operabilidade do SIN, pode-se citar: harmônicos, flutuação de tensão, subtensão, sobretensão e afundamentos de tensão. Devido a observabilidade rotineira e aos prejuízos (financeiros e/ou técnicos) associados ao fenômeno, o interesse desse estudo consiste nos afundamentos de tensão. Nesse contexto, apresenta-se uma proposta para análise dos afundamentos de tensão em um ambiente com geração distribuída (fotovoltaica, eólica, PCH e termelétrica à biomassa) através de simulações de curtos-circuitos. Os resultados obtidos através da metodologia proposta mostram que a inserção de GD pode trazer uma variação no número de afundamentos de tensão e melhorar os níveis de tensão nas barras, sobretudo nos locais onde foram inseridas bem como em suas proximidades. Também, há redução no número de afundamentos de maior severidade os quais causam mais prejuízos e preocupação a operabilidade do SEP. / The insertion of distributed generation (DG) sources brings the possibility of diversification of energy sources types and the reduction of electrical losses in the transport of EE - because the sources are located close to end users. Among these sources are photovoltaic, wind, small hydropower and biomass-fired power plants. The first two, are usually connected to the network through frequency inverters. The other two are usually connected directly to the system. However, DG also provides consequences to the electrical power system, often unwanted, such as variations in the parameters of power quality (PQ). The commitment should be retained with the power quality delivered to customers. Moreover, for the correct operation of electronic equipment and various industrial processes it is necessary that the voltage remains within an acceptable range. Among the phenomena of interest to electric power quality, which must be eliminated or mitigated, we can mention: harmonics, voltage fluctuation, undervoltage, overvoltage and voltage sags (dips). Due to losses (financial and/or technical) associated with the phenomenon, the interest of this study consists of the voltage sags. In this context, we present a proposal for analysis of voltage sags in an environment with distributed generation (photovoltaic, wind, thermal and biomass-fired power plants) through simulations of short circuits. The results obtained through the proposed methodology shows that the inclusion of DG can bring a change in the number of voltage sags and improve voltage levels in bars, especially in places where they were inserted and in its vicinity. Also, there is a reduction in the number of severe voltage sags which cause more harm and concern to end-users and utilities.

Os afundamentos de tensão são reduções de curta duração entre o 10% a 90% da magnitude de tensão eficaz. Usualmente, estes afundamentos são associados com falhas no sistema de energia elétrica, mas podem ser causados pela elevada corrente de partida de motores de indução ou energização de transformadores. Apesar de sua curta duração, tais eventos podem causar sérios problemas para alguns equipamentos. As conseqüências dos afundamentos de tensão sobre a máquina assíncrona são: perda de velocidade durante o afundamento e picos de corrente e de conjugado que aparecem na queda de tensão e no instante de restabelecimento. Este estudo visa analisar o comportamento da máquina assíncrona diante de afundamentos de tensão e as características destes, devido à influência do motor assíncrono como carga. Enfocando-se neste ponto, é que foram considerados diferentes tipos de afundamentos devido a diferentes falhas, que produziram quedas de tensão nos terminais da máquina assíncrona com variações na magnitude e no argumento de tensão. As simulações foram realizadas aplicando um método numérico tradicional e um método simplificado, o método simplificado lineariza as equações diferenciais elétricas da máquina assíncrona considerando a velocidade mecânica constante, para o cálculo dos transitórios elétricos no início da queda de tensão e no restabelecimento da mesma. Os transitórios obtidos pelo método numérico tradicional (Runge Kutta quarta ordem) e o método simplificado foram comparados, para verificar a precisão deste método com respeito ao numérico tradicional, concluindo-se, que o método simplificado poderá aplicar-se em máquinas de baixo escorregamento e elevada constante de inércia. Além disso, foram realizados experimentos, submetendo o sistema a diferentes quedas de tensão, considerando diferentes magnitudes e durações no afundamento. / Voltage sags are fast reductions between 10% to 90% in the voltage magnitude. Sags are usually associated with system faults, but can also be caused by motors starting or by the transformers energizing. Despite their small duration, such events can cause serious problems for a wide range of equipments. The consequences of voltage sags on the induction machine are: decrease of the speed during the sag and current and torque peaks in the voltage drop and recovery times. This study aims to analyze the behavior of the induction machine during voltage sags and find the characteristics of these sags due to the influence of the induction motor as load, taking into account the different voltage sags types due to different fault types, considering variations in the magnitude, phase angle voltage and variations of the mechanical load of the motor. The simulations were carried out by means of a linear and simplified induction motor model using Matlab, this simplified method separates the electric transient of the mechanical transient, resulting in a large speed of calculation when compared with the numerical method (fourth order Runge-Kutta). The transients obtained by the simplified method were compared with the calculated by the numerical method. Besides, the experiments were carried out under the same bases as the simulations, submitting the system to different voltage drops during several intervals of time.

Nesta dissertação, é apresentada uma metodologia para cálculo de afundamentos de tensão na presença de fontes alternativas de energia. Um método para determinar o grau de influência da reatância de outras unidades geradoras conectadas ao sistema elétrico no que se refere a afundamentos de tensão é desenvolvido. É utilizada a matriz impedância de barras – Zbus para a obtenção de expressões analíticas para a magnitude de afundamentos de tensão causados por faltas na rede. Uma análise matemática das expressões obtidas e uma análise de sensibilidade são feitas com observações acerca das características propiciadas pela inserção de novas fontes de geração. As expressões analíticas são utilizadas para classificar as barras quanto ao número de afundamentos causados por faltas trifásicas e fase-terra em todas as barras do sistema. De maneira similar, a alocação de uma unidade de geração específica é feita com o objetivo de reduzir o número de afundamentos de tensão observados na rede. As expressões em termos da reatância do gerador são usadas na solução de um conjunto de inequações observando a necessidade da manutenção de níveis mínimos aceitáveis de tensão requisitados por cargas sensíveis, a relação entre a reatância do novo gerador e sua capacidade de mitigação de afundamentos fica evidenciada. / This work presents a methodology for voltage sags analysis in the presence of alternative energy sources. The method determines the degree of influence of the reactance from the new generating units connected to the electrical system with regard to voltage sags magnitudes. The impedance matrix – Zbus is used to obtain analytical expressions voltage sags magnitude caused by faults in the grid. A mathematical analysis of the obtained expressions and a sensitivity analysis are made with observations about the characteristics afforded by the inclusion of new generation sources. The analytical expressions are used to rank the bars as the number of sags caused by three-phase and phase to ground faults on all system buses. Similarly, the allocation of a specific generation unit is done in order to reduce the number of voltage sags over the grid. The expressions in terms of the generator reactance are used on solving a set of inequalities, observing the need to maintain minimum acceptable voltage levels required by sensitive loads, the relationship between the reactance of the new generator and its sag mitigation capability is evidenced.

A inserção de fontes de geração distribuída (GD) traz a possibilidade de diversificação da matriz energética e a redução de perdas elétricas no transporte de EE – porque as fontes localizam-se próximas aos clientes finais. Entre elas destacam-se as fontes fotovoltaicas, eólicas, pequenas centrais hidrelétricas (PCH) e termelétricas à biomassa. As duas primeiras, apresentam a peculiaridade de normalmente serem conectadas à rede através de inversores de frequência. As outras duas costumam ser conectadas diretamente ao sistema. Todavia, a GD também propicia consequências ao SEP, muitas vezes indesejadas, como variações nos parâmetros da qualidade da energia elétrica (QEE). O compromisso que se deve manter com a QEE entregue aos consumidores é de vital importância para as empresas transmissoras e distribuidoras de energia elétrica, bem como para os utilitários dessa EE. Além disso, para que haja o correto funcionamento de equipamentos eletrônicos e de diversos processos industriais é necessário que a energia elétrica permaneça em uma faixa de tensão aceitável. Entre os fenômenos de interesse da área de qualidade de energia elétrica, os quais devem ser eliminados ou mitigados para a melhor operabilidade do SIN, pode-se citar: harmônicos, flutuação de tensão, subtensão, sobretensão e afundamentos de tensão. Devido a observabilidade rotineira e aos prejuízos (financeiros e/ou técnicos) associados ao fenômeno, o interesse desse estudo consiste nos afundamentos de tensão. Nesse contexto, apresenta-se uma proposta para análise dos afundamentos de tensão em um ambiente com geração distribuída (fotovoltaica, eólica, PCH e termelétrica à biomassa) através de simulações de curtos-circuitos. Os resultados obtidos através da metodologia proposta mostram que a inserção de GD pode trazer uma variação no número de afundamentos de tensão e melhorar os níveis de tensão nas barras, sobretudo nos locais onde foram inseridas bem como em suas proximidades. Também, há redução no número de afundamentos de maior severidade os quais causam mais prejuízos e preocupação a operabilidade do SEP. / The insertion of distributed generation (DG) sources brings the possibility of diversification of energy sources types and the reduction of electrical losses in the transport of EE - because the sources are located close to end users. Among these sources are photovoltaic, wind, small hydropower and biomass-fired power plants. The first two, are usually connected to the network through frequency inverters. The other two are usually connected directly to the system. However, DG also provides consequences to the electrical power system, often unwanted, such as variations in the parameters of power quality (PQ). The commitment should be retained with the power quality delivered to customers. Moreover, for the correct operation of electronic equipment and various industrial processes it is necessary that the voltage remains within an acceptable range. Among the phenomena of interest to electric power quality, which must be eliminated or mitigated, we can mention: harmonics, voltage fluctuation, undervoltage, overvoltage and voltage sags (dips). Due to losses (financial and/or technical) associated with the phenomenon, the interest of this study consists of the voltage sags. In this context, we present a proposal for analysis of voltage sags in an environment with distributed generation (photovoltaic, wind, thermal and biomass-fired power plants) through simulations of short circuits. The results obtained through the proposed methodology shows that the inclusion of DG can bring a change in the number of voltage sags and improve voltage levels in bars, especially in places where they were inserted and in its vicinity. Also, there is a reduction in the number of severe voltage sags which cause more harm and concern to end-users and utilities.