Estratégias de controle de ordem fracionária aplicadas ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potência

Neste trabalho é proposta uma nova metodologia de projeto de estabilizadores de sistemas de potência baseada em teoria de sistemas de ordem fracionária (ESP-OF). A estratégia é baseada em uma generalização do projeto de compensadores do tipo rede avançoatraso (lead-lag) para o domínio de funções de transferência de ordem fracionária. Uma nova variável de projeto, a qual define a ordem da dinâmica fracionária do controlador, é sintonizada para se obter um compromisso entre um bom desempenho no amortecimento do modo eletromecânico dominante e uma robustez ampliada do ESP-OF. O desempenho do ESP-OF foi avaliado experimentalmente, em um sistema de potência em escala reduzida, localizado no Laboratório de Sistemas de Potência da Universidade Federal do Pará. A referida planta de teste apresenta uma estrutura típica do tipo gerador síncrono conectado a um barramento infinito e exibe um modo dominante de oscilação eletromecânica, de amortecimento extremamente reduzido, cujo valor da frequência natural é em torno de 1,2 Hz. O ESP-OF foi então projetado para ampliar o amortecimento relativo desse modo alvo, para toda a faixa de operação admissível. Para fins de implementação prática, primeiramente foram realizados testes experimentais para a identificação de um modelo nominal da planta, sob a forma de uma função de transferência pulsada, para uso na fase de projeto. O modelo obtido experimentalmente foi então validado e posteriormente utilizado tanto para o projeto do ESP-OF quanto para o projeto de um ESP convencional (utilizado para fins de comparação de desempenho). As leis de controle amortecedor do ESP-OF foram calculadas, convertidas para a forma de equações a diferenças e, subsequentemente, embarcadas em sistema digital baseado em microcontrolador DSPIC. Diversos testes de resposta ao impulso foram realizadas sob diferentes condições operacionais. As respectivas respostas dinâmicas dos sinais de saída da planta (desvio de potencia ativa) e do esforço de controle foram registradas para fins de análise. Os resultados experimentais mostraram que o ESP fracionário apresentou um desemprenho dinâmico e robustez similar em comparação com o desempenho obtido por um ESP convencional, para toda a faixa de operação investigada.

ABSTRACT: In this work, a new project methodology was proposed to tune power systems stabilizers (PSS) based on fractional order systems theory (FOPSS). The strategy is based in a generalization of Lead-Lag compensators type project to fractional order transfer function domain. A new project variable, which defines the controller fractional order, is tuned to obtain a good compromise between the damping fulfillment of dominant electromechanical mode and the FOPSS amplified robustness. FOPSS performance was experimental evaluated, in a small-scalled system, located at Power Systems Laboratory of Federal University of Para. This test plant present a typical structure of synchronous generator connected to infinite bus and exhibits a decreased damping electromechanical dominant mode, whose around 1,2 Hz natural frequency value. So FOPSS was designed to improve relative damp of mode target, for all admissible operation range. For practical intent , first experimental tests was made to identify a plant nominal model in the form of a pulse transfer function, used in FOPSS project. This obtained model was validated and then used both to FOPSS project and conventional PSS (applied to performance comparison). The damp control rules of FOPSS were calculated, and then converted to difference equations, and subsequently, embedded in digital systems based on DSPIC microcontrollers. A couple of impulse test were made under different operational conditions. Respective dynamical responses data of plant output signals (active power deviation) and control effort were saved to analysis purposes. The experimental results showed that FOPSS presented a greater robustness and a similar performance compared to dynamical performance of conventional PSS, for all investigated operation range.