Comparative analysis for reactive energy measurement methodologies, under non-sinusoidal conditions in three-phase four-wire circuits

This paper presents some methodologies for reactive energy measurement, considering three modern power theories that are suitable for three-phase four-wire non-sinusoidal and unbalanced circuits. The theories were applied in some profiles collected in electrical distribution systems which have real characteristics for voltages and currents measured by commercial reactive energy meters. The experimental results are presented in order to analyze the accuracy of the methodologies, considering the standard IEEE 1459-2010 as a reference. Finally, for additional comparisons, the theories will be confronted with the modern Yokogawa WT3000 energy meter and three samples of a commercial energy meter through an experimental setup. © 2011 IEEE.

Robust control applied to power flow control in single-phase inverter with LCL filter, using droop control and D-stability

This paper proposes a new methodology to control the power flow between a distributed generator (DG) and the electrical power distribution grid. It is used the droop voltage control to manage the active and reactive power. Through this control a sinusoidal voltage reference is generated to be tracked by voltage loop and this loop generates the current reference for the current loop. The proposed control introduces feed-forward states improving the control performance in order to obtain high quality for the current injected to the grid. The controllers were obtained through the linear matrix inequalities (LMI) using the D-stability analysis to allocate the closed-loop controller poles. Therefore, the results show quick transient response with low oscillations. Thus, this paper presents the proposed control technique, the main simulation results and a prototype with 1000VA was developed in the laboratory in order to demonstrate the feasibility of the proposed control. © 2012 IEEE.

Modelos de programação linear inteira mista para resolver problemas de otimização de sistemas de distribuição de energia elétrica radiais

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Projeto multicritério de filtros harmônicos passivos para instalações industriais utilizando técnicas de inteligência computacional

Devido ao auge do crescimento industrial na Região Norte e, em especial, o Pólo Industrial de Manaus (PIM), são necessários obter ferramentas matemáticas que facilitem ao especialista tomar decisões sobre a seleção e dimensionamento dos filtros harmônicos que proporcionam neutralizar os efeitos prejudiciais dos harmônicos gerados pelas cargas não lineares da indústria e alcançar conformidade com os padrões das normas de qualidade de energia correspondentes. Além disso, como os filtros harmônicos passivos têm a capacidade de gerar potência reativa à rede, estes meios são eficazes compensadores de potência reativa e, portanto, podem conseguir uma economia significativa no faturamento de energia elétrica consumida por essas instalações industriais. Esta tese tem como objetivo geral desenvolver um método matemático e uma ferramenta computacional para a seleção da configuração e parâmetros do projeto de um conjunto de filtros harmônicos passivos para sistemas elétricos industriais. Nesta ótica, o problema de otimização da compensação de harmônicos por meio de filtros passivos foi formulado como um problema multiobjetivo que considera tanto os objetivos da redução da distorção harmônica como da efetividade econômica do projeto considerando as características das tarifas brasileiras. Todavia, a formulação apresentada considera as restrições relevantes impostas pelas normas brasileiras e estrangeiras. A solução computacional para este problema foi conseguida, usando o algoritmo genético NSGA-II que determina um conjunto de soluções ótimas de Pareto (Fronteira) que permitem ao projetista escolher as soluções mais adequadas para o problema. Por conseguinte, a ferramenta computacional desenvolvida tem várias novidades como: não só calcula os parâmetros que caracterizam os filtros, como também seleciona o tipo de configuração e o número de ramos do filtro em cada barra candidata de acordo com um conjunto de configurações pré-estabelecidas; têm implementada duas normas para a avaliação das restrições de qualidade de energia (Prodist-Módulo 8 e IEEE 519-92) que podem ser selecionadas pelo usuário; determina soluções com bons indicadores de desempenho para vários cenários característicos e não característicos do sistema que permitem a representação das as variações diárias da carga; das variações dos parâmetros do sistema e dos filtros; avalia o custo das contas de energia numa rede elétrica industrial que tem diferentes condições de operação (cenários característicos); e avalia o efeito econômico de filtros de harmônicos como compensadores de potência reativa. Para desenvolver a ferramenta computacional adequada desta tese, foi empregado um modelo trifásico em coordenadas de fase para redes de energia elétrica industriais e de serviços onde foram feitos vários programas utilizando várias ferramentas computacionais adicionais. Estas ferramentas compreendem um programa de varredura de freqüência, um programa do fluxo de harmônicos por injeção de correntes e um programa de fluxo de potência à freqüência fundamental. Os resultados positivos desta tese, a partir da análise de vários exemplos práticos, mostram as vantagens do método desenvolvido.

Modelos equivalentes de parques eólicos usando algoritmos genéticos

Esta dissertação apresenta uma metodologia baseada em algoritmo genético (AG) para determinar modelos dinâmicos equivalentes de parques eólicos com geradores de indução em gaiola de esquilo ( GIGE) e geradores de indução duplamente alimentados ( GIDA), apresentando parâmetros elétricos e mecânicos distintos. A técnica se baseia em uma formulação multiobjetiva solucionada por um AG para minimizar os erros quadráticos das potências ativa e reativa entre modelo de um único gerador equivalente e o modelo do parque eólico investigado. A influência do modelo equivalente do parque eólico no comportamento dinâmico dos geradores síncronos é também investigada por meio do método proposto. A abordagem é testada em um parque eólico de 10MW composto por quatro turbinas eólicas ( 2x2MW e 2x3MW), consistindo alternadamente de geradores GIGE e GIDA interligados a uma barra infinita e posteriormente a rede elétrica do IEEE 14 barras. Os resultados obtidos pelo uso do modelo dinâmico detalhado para a representação do parque eólico são comparados aos do modelo equivalente proposto para avaliar a precisão e o custo computacional do modelo proposto.

Otimização multiobjetivo da compensação de potência reativa em redes de distribuição considerando restrições de distorção harmônica

A localização de bancos de capacitores nas redes de distribuição de energia elétrica, corretamente dimensionados, busca compensar eventuais excessos de circulação de potência reativa pelas linhas, o que implica a redução de custos operacionais pela redução das perdas de energia e um aumento da capacidade de transmissão de potência ativa assegurando os níveis estabelecidos de tensão e fator de potência simultaneamente. A proliferação das cargas não lineares provocou uma mudança nos cenários de estudo dos sistemas elétricos de potência devido aos efeitos nocivos que os harmônicos gerados por elas ocasionam sobre a qualidade da energia elétrica. Considerando este novo cenário, esta tese tem como objetivo geral desenvolver uma ferramenta computacional utilizando técnicas de inteligência computacional apoiada em algoritmos genéticos (AG), para a otimização multiobjetivo da compensação da potência reativa em redes elétricas de distribuição capaz de localizar e dimensionar de forma ótima as unidades de compensação necessárias para obter os melhores benefícios econômicos e a manutenção dos índices de qualidade da energia estabelecidos pelas normas brasileiras. Como Inovação Tecnológica do trabalho a ferramenta computacional desenvolvida permite otimizar a compensação da potência reativa para melhorar do fator de potência em redes de distribuição contaminadas com harmônicos que, diferentemente de métodos anteriores, não só emprega bancos de capacitores, mas também filtros de harmônicos com esse objetivo. Utiliza-se o algoritmo NSGA-II, que determina as soluções ótimas de Pareto para o problema e permite ao especialista determinar as soluções mais efetivas. A proposta para a solução do problema apresenta várias inovações podendo-se destacar que a solução obtida permite determinar a compensação de potência reativa com capacitores em sistemas com certa penetração harmônica, atendendo a normas de qualidade de energia pertinentes, com relação aos níveis de distorção harmônica tolerados.

Heurística especializada aplicada na alocação ótima de bancos de capacitores em sistemas de distribuição radial

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Alocação ótima de equipamentos SVC e TCSC na rede de transmissão de energia elétrica

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Modelo matemático para o controle ótimo de Volt/VAr em sistemas de distribuição de energia elétrica trifásicos

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Instantaneous complex power applied to three-phase machines

The theory presented in this paper was primarily developed to give a physical interpretation for the instantaneous power flow on a three-phase induction machine, without a neutral conductor, on any operational state and may be extended to any three-phase load. It is a vectorial interpretation of the instantaneous reactive power theory presented by Akagi et al. Which, believe the authors, isn't enough developed and its physical meaning not yet completely understood. This vectorial interpretation is based on the instantaneous complex power concept defined by Torrens for single-phase, ac, steady-state circuits, and leads to a better understanding of the power phenomenon, particularly of the distortion power. This concept has been extended by the authors to three-phase systems, through the utilization of the instantaneous space vectors. The results of measurements of instantaneous complex power on a self-excited induction generator's terminals, during an over-load application transient, are presented for illustration. The compensation of reactive power proposed by Akagi is discussed and a new horizon for the theory application is opened.

Funções penalidade para o tratamento das variáveis discretas do problema de fluxo de potência ótimo reativo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Power Converters and Electric Drives for Smart Grid Applications

The present dissertation aims to explore, theoretically and experimentally, the problems and the potential advantages of different types of power converters for “Smart Grid” applications, with particular emphasis on multi-level architectures, which are attracting a rising interest even for industrial requests. The models of the main multilevel architectures (Diode-Clamped and Cascaded) are shown. The best suited modulation strategies to function as a network interface are identified. In particular, the close correlation between PWM (Pulse Width Modulation) approach and SVM (Space Vector Modulation) approach is highlighted. An innovative multilevel topology called MMC (Modular Multilevel Converter) is investigated, and the single-phase, three-phase and "back to back" configurations are analyzed. Specific control techniques that can manage, in an appropriate way, the charge level of the numerous capacitors and handle the power flow in a flexible way are defined and experimentally validated. Another converter that is attracting interest in “Power Conditioning Systems” field is the “Matrix Converter”. Even in this architecture, the output voltage is multilevel. It offers an high quality input current, a bidirectional power flow and has the possibility to control the input power factor (i.e. possibility to participate to active and reactive power regulations). The implemented control system, that allows fast data acquisition for diagnostic purposes, is described and experimentally verified.

STATE OF CHARGE BASED DROOP SURFACE FOR OPTIMAL CONTROL OF DC MICROGRIDS

For a microgrid with a high penetration level of renewable energy, energy storage use becomes more integral to the system performance due to the stochastic nature of most renewable energy sources. This thesis examines the use of droop control of an energy storage source in dc microgrids in order to optimize a global cost function. The approach involves using a multidimensional surface to determine the optimal droop parameters based on load and state of charge. The optimal surface is determined using knowledge of the system architecture and can be implemented with fully decentralized source controllers. The optimal surface control of the system is presented. Derivations of a cost function along with the implementation of the optimal control are included. Results were verified using a hardware-in-the-loop system.

LOCAL DIGITAL CONTROL OF POWER ELECTRONIC CONVERTERS IN A DC MICROGRID BASED ON A-PRIORI DERIVATION OF SWITCHING SURFACES

In power electronic basedmicrogrids, the computational requirements needed to implement an optimized online control strategy can be prohibitive. The work presented in this dissertation proposes a generalized method of derivation of geometric manifolds in a dc microgrid that is based on the a-priori computation of the optimal reactions and trajectories for classes of events in a dc microgrid. The proposed states are the stored energies in all the energy storage elements of the dc microgrid and power flowing into them. It is anticipated that calculating a large enough set of dissimilar transient scenarios will also span many scenarios not specifically used to develop the surface. These geometric manifolds will then be used as reference surfaces in any type of controller, such as a sliding mode hysteretic controller. The presence of switched power converters in microgrids involve different control actions for different system events. The control of the switch states of the converters is essential for steady state and transient operations. A digital memory look-up based controller that uses a hysteretic sliding mode control strategy is an effective technique to generate the proper switch states for the converters. An example dcmicrogrid with three dc-dc boost converters and resistive loads is considered for this work. The geometric manifolds are successfully generated for transient events, such as step changes in the loads and the sources. The surfaces corresponding to a specific case of step change in the loads are then used as reference surfaces in an EEPROM for experimentally validating the control strategy. The required switch states corresponding to this specific transient scenario are programmed in the EEPROM as a memory table. This controls the switching of the dc-dc boost converters and drives the system states to the reference manifold. In this work, it is shown that this strategy effectively controls the system for a transient condition such as step changes in the loads for the example case.

Power flow based monetary flow method for electricity transmission and wheeling pricing

This paper proposes a transmission and wheeling pricing method based on the monetary flow tracing along power flow paths: the monetary flow-monetary path method. Active and reactive power flows are converted into monetary flows by using nodal prices. The method introduces a uniform measurement for transmission service usages by active and reactive powers. Because monetary flows are related to the nodal prices, the impacts of generators and loads on operation constraints and the interactive impacts between active and reactive powers can be considered. Total transmission service cost is separated into more practical line-related costs and system-wide cost, and can be flexibly distributed between generators and loads. The method is able to reconcile transmission service cost fairly and to optimize transmission system operation and development. The case study on the IEEE 30 bus test system shows that the proposed pricing method is effective in creating economic signals towards the efficient use and operation of the transmission system. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.