Localização de descargas parciais em transformadores de potência por meio de sensores piezelétricos de baixo custo e sistemas inteligentes

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Aplicação de sistema especialista para localização de defeitos em redes de distribuição.

Com o objetivo de orientar e agilizar a busca do local de curto circuitos em redes primárias aéreas de distribuição de energia, esta pesquisa propõe uma metodologia para localização de áreas com maior probabilidade de ser sede do defeito, utilizando variáveis Heurísticas. A metodologia Heurística se aplica em problemas que envolvem variáveis com incertezas, que podem ser avaliadas por meio de recursos empíricos e na experiência de especialistas. Dentre as variáveis influentes no cálculo de curto circuito, foram consideradas como mais relevantes: a resistência de defeito, a tensão pré falta, a impedância do sistema equivalente a montante da subestação e a impedância da rede. A metodologia proposta se fundamenta no conhecimento das correntes e tensões oscilografadas no barramento da subestação por ocasião da ocorrência de um curto circuito e, por outro lado no pré-calculo de correntes de curto circuito heurísticas ao longo da rede. No âmbito da pesquisa foram realizados testes de campo para levantamento da variável heurística resistência de defeito, resumidos neste texto e documentados no CD - ROM em anexo. Foi desenvolvido um software que permitiu a efetiva aplicação da proposta desta pesquisa em vários alimentadores de uma Distribuidora, cujos resultados comprovaram a eficiência da metodologia.

Sistema inteligente baseado em decomposição por componentes ortogonais e inferência fuzzy para localização de faltas de alta impedância em sistemas de distribuição de energia elétrica com geração distribuída

Os sistemas elétricos de potência modernos apresentam inúmeros desafios em sua operação. Nos sistemas de distribuição de energia elétrica, devido à grande ramificação, presença de extensos ramais monofásicos, à dinâmica das cargas e demais particularidades inerentes, a localização de faltas representa um dos maiores desafios. Das barreiras encontradas, a influência da impedância de falta é uma das maiores, afetando significativamente a aplicação dos métodos tradicionais na localização, visto que a magnitude das correntes de falta é similar à da corrente de carga. Neste sentido, esta tese objetivou desenvolver um sistema inteligente para localização de faltas de alta impedância, o qual foi embasado na aplicação da técnica de decomposição por componentes ortogonais no pré-processamento das variáveis e inferência fuzzy para interpretar as não-linearidades do Sistemas de Distribuição com presença de Geração Distribuída. Os dados para treinamento do sistema inteligente foram obtidos a partir de simulações computacionais de um alimentador real, considerando uma modelagem não-linear da falta de alta impedância. O sistema fuzzy resultante foi capaz de estimar as distâncias de falta com um erro absoluto médio inferior a 500 m e um erro absoluto máximo da ordem de 1,5 km, em um alimentador com cerca de 18 km de extensão. Tais resultados equivalem a um grau de exatidão, para a maior parte das ocorrências, dentro do intervalo de ±10%.

Algoritmos recursivos e não-recursivos aplicados à estimação fasorial em sistemas elétricos de potência

Este trabalho apresenta uma análise de algoritmos computacionais aplicados à estimação de fasores elétricos em SEPs. A medição dos fasores é realizada por meio da alocação de Unidades de Medição Fasorial nestes sistemas e encontra diversas aplicações nas áreas de operação, controle, proteção e planejamento. Para que os fasores possam ser aplicados, são definidos padrões de medição, sincronização e comunicação, por meio da norma IEEE C37.118.1. A norma apresenta os padrões de mensagens, timetag, fasores, sistema de sincronização, e define testes para avaliar a estimação. Apesar de abranger todos esses critérios, a diretriz não define um algoritmo de estimação padrão, abrindo espaço para uso de diversos métodos, desde que a precisão seja atendida. Nesse contexto, o presente trabalho analisa alguns algoritmos de estimação de fasores definidos na literatura, avaliando o comportamento deles em determinados casos. Foram considerados, dessa forma, os métodos: Transformada Discreta de Fourier, Método dos Mínimos Quadrados e Transformada Wavelet Discreta, nas versões recursivas e não-recursivas. Esses métodos foram submetidos a sinais sintéticos, a fim de verificar o comportamento diante dos testes propostos pela norma, avaliando o Total Vector Error, tempo de resposta e atraso e overshoot. Os algoritmos também foram embarcados em um hardware, denominado PC104, e avaliados de acordo com os sinais medidos pelo equipamento na saída analógica de um simulador em tempo real (Real Time Digital Simulator).

Análise do padrão IEEE 802.11g para a comunicação do sistema de controle distribuído de semáforos.

Este trabalho propõe a análise da comunicação sem fio para um sistema de controle distribuído de semáforos, a partir da revisão das literaturas, realização de simulações e experimentos, os quais consideram as especificações estabelecidas para o sistema de semáforos. As simulações e os experimentos se baseiam na avaliação do comportamento da comunicação perante a alteração de alguns parâmetros de configuração da rede. O estudo apresentado envolve análises relacionadas ao padrão IEEE 802.11g e às definições da camada física apresentadas nas especificações do padrão. Os métodos utilizados envolvem o estudo e experimentação de parâmetros relacionados à potência de transmissão e recepção, além de análise dos esquemas de modulação utilizados pelo padrão IEEE 802.11g. A metodologia aplicada a este trabalho envolve o conhecimento das características e capacidade dos esquemas de modulação responsáveis pela definição das taxas de transmissão. As análises mostram que a possibilidade de adequação dos parâmetros de configuração de rede, levando em consideração o cenário de aplicação, pode ser um fator essencial para o bom desempenho de todo o sistema.

Projeto de um sistema de conversor multinível para painéis fotovoltaicos

A produção de energia elétrica a partir de fontes de energia renovável está gradualmente a ser uma alternativa à energia produzida a partir de combustíveis fósseis. A técnica de conversão dessas mesmas energias para energia elétrica, para entrega na Rede de Energia Elétrica (REE), é cada vez mais estudada para que se obtenha uma maior eficiência assim como qualidade. Neste trabalho desenvolve-se um projeto de conversão de energia fotovoltaica, para produção de energia elétrica para a rede utilizando um conversor multinível, otimizando a transferência de potência assim como melhorando a forma da corrente AC. A conversão multinível é uma topologia que tem algumas vantagens relativamente à topologia de 2 níveis, permitindo trabalhar com níveis de tensão mais elevados, melhorando a qualidade de energia. O conversor multinível de díodos ligados ao ponto neutro utiliza condensadores para criar os níveis de tensão, que neste trabalho vão ser usados para ligar os painéis, otimizando a transferência de potência. Aplica-se um método de controlo das correntes AC para terem a forma a alternada e sinusoidal e em fase com a tensão da rede. Os resultados experimentais mostram que a utilização do algoritmo de procura do ponto de máxima potência dos painéis permitem a extrair a máxima potência, de acordo com as condições de irradiação solar e temperatura dos painéis.

Sistema de conversão de energia eólica baseado no gerador de indução duplamente alimentado: análise e contribuição ao controle da máquina

The humanity reached a time of unprecedented technological development. Science has achieved and continues to achieve technologies that allowed increasingly to understand the universe and the laws which govern it, and also try to coexist without destroying the planet we live on. One of the main challenges of the XXI century is to seek and increase new sources of clean energy, renewable and able to sustain our growth and lifestyle. It is the duty of every researcher engage and contribute in this race of energy. In this context, wind power presents itself as one of the great promises for the future of electricity generation . Despite being a bit older than other sources of renewable energy, wind power still presents a wide field for improvement. The development of new techniques for control of the generator along with the development of research laboratories specializing in wind generation are one of the key points to improve the performance, efficiency and reliability of the system. Appropriate control of back-to-back converter scheme allows wind turbines based on the doubly-fed induction generator to operate in the variable-speed mode, whose benefits include maximum power extraction, reactive power injection and mechanical stress reduction. The generator-side converter provides control of active and reactive power injected into the grid, whereas the grid-side converter provides control of the DC link voltage and bi-directional power flow. The conventional control structure uses PI controllers with feed-forward compensation of cross-coupling dq terms. This control technique is sensitive to model uncertainties and the compensation of dynamic dq terms results on a competing control strategy. Therefore, to overcome these problems, it is proposed in this thesis a robust internal model based state-feedback control structure in order to eliminate the cross-coupling terms and thereby improve the generator drive as well as its dynamic behavior during sudden changes in wind speed. It is compared the conventional control approach with the proposed control technique for DFIG wind turbine control under both steady and gust wind conditions. Moreover, it is also proposed in this thesis an wind turbine emulator, which was developed to recreate in laboratory a realistic condition and to submit the generator to several wind speed conditions.

Proteção diferencial de transformadores de potência utilizando a transformada Wavelet

About 10% of faults involving the electrical system occurs in power transformers. Therefore, the protection applied to the power transformers is essential to ensure the continuous operation of this device and the efficiency of the electrical system. Among the protection functions applied to power transformers, the differential protection appears as one of the main schemes, presenting reliable discrimination between internal faults and external faults or inrush currents. However, when using the low frequency components of the differential currents flowing through the transformer, the main difficulty of the conventional methods of differential protection is the delay for detection of the events. However, internal faults, external faults and other disturbances related to the transformer operation present transient and can be appropriately detected by the wavelet transform. In this paper is proposed the development of a wavelet-based differential protection for detection and identification of external faults to the transformer, internal faults, and transformer energizing by using the wavelet coefficient energy of the differential currents. The obtained results reveal the advantages of using of the wavelet transform in the differential protection compared to conventional protection, since it provides reliability and speed in detection of these events.

Contribuições à estratégia de controle sem detecção de harmônicos aplicada a um filtro ativo de potência paralelo

The conventional control schemes applied to Shunt Active Power Filters (SAPF) are Harmonic extractor-based strategies (HEBSs) because their effectiveness depends on how quickly and accurately the harmonic components of the nonlinear loads are identified. The SAPF can be also implemented without the use of the load harmonic extractors. In this case, the harmonic compensating term is obtained from the system active power balance. These systems can be considered as balanced-energy-based schemes (BEBSs) and their performance depends on how fast the system reaches the equilibrium state. In this case, the phase currents of the power grid are indirectly regulated by double sequence controllers with two degrees of freedom, where the internal model principle is employed to avoid reference frame transformation. Additionally the DSC controller presents robustness when the SAPF is operating under unbalanced conditions. Furthermore, SAPF implemented without harmonic detection schemes compensate simultaneously harmonic distortion and reactive power of the load. Their compensation capabilities, however, are limited by the SAPF power converter rating. Such a restriction can be minimized if the level of the reactive power correction is managed. In this work an estimation scheme for determining the filter currents is introduced to manage the compensation of reactive power. Experimental results are shown for demonstrating the performance of the proposed SAPF system.

Topologia de gerador de distúrbios elétricos baseada em conversores de potência

Electrical disturbances such as voltage sags, interruptions and voltage unbalances might cause serious problems for the end-user and for the companies of generation and transmission of energy. Few years ago, those companies have been using methods and equipments of protection to avoid the disturbances’ presence or to mitigate their effects on the power system. Disturbances generators are used to analyse the behavior of electrical and electronic equipments affected by disturbances. The analysis of those failures allows the development of appropriated protection equipments. In this paper, the development of a disturbances generator based on power converters is presented. The disturbance generator developed is able to generate some symmetrical disturbances, such as: voltage sags, voltage swells and harmonic distortion. The control strategy used in the disturbance generator is based on discrete and repetitive control. The steps of the design of the control and of the filter used for reducing harmonic in the output, are detailed in the text. Are presented the obtained results on computational simulations and the obtained results on laboratory tests.

Modelagem e análise dinâmica de um sistema de conversão de energia eólica dotado de gerador síncrono de imã permanente utilizando a plataforma ATP

Human development requires a broad balance between ecological, social and economic factors in order to ensure its own sustainability. In this sense, the search for new sources of energy generation, with low deployment and operation costs, which cause the least possible impact to the environment, has been the focus of attention of all society segments. To do so, the reduction in exploration of fossil fuels and the encouragement of using renewable energy resources for distributed generation have proved interesting alternatives to the expansion of the energy matrix of various countries in the world. In this sense, the wind energy has acquired an increasingly significant role, presenting increasing rates of power grid penetration and highlighting technological innovations such as the use of permanent magnet synchronous generators (PMSG). In Brazil, this fact has also been noted and, as a result, the impact of the inclusion of this source in the distribution and sub-transmission power grid has been a major concern of utilities and agents connected to Brazilian electrical sector. Thus, it is relevant the development of appropriate computational tools that allow detailed predictive studies about the dynamic behavior of wind farms, either operating with isolated load, either connected to the main grid, taking also into account the implementation of control strategies for active/reactive power generation and the keeping of adequate levels of voltage and frequency. This work fits in this context since it comprises mathematical and computational developments of a complete wind energy conversion system (WECS) endowed with PMSG using time domain techniques of Alternative Transients Program (ATP), which prides itself a recognized reputation by scientific and academic communities as well as by electricity professionals in Brazil and elsewhere. The modeling procedures performed allowed the elaboration of blocks representing each of the elements of a real WECS, comprising the primary source (the wind), the wind turbine, the PMSG, the frequency converter, the step up transformer, the load composition and the power grid equivalent. Special attention is also given to the implementation of wind turbine control techniques, mainly the pitch control responsible for keeping the generator under the maximum power operation point, and the vector theory that aims at adjusting the active/reactive power flow between the wind turbine and the power grid. Several simulations are performed to investigate the dynamic behavior of the wind farm when subjected to different operating conditions and/or on the occurrence of wind intensity variations. The results have shown the effectiveness of both mathematical and computational modeling developed for the wind turbine and the associated controls.

Estudo comparativo de dois conversores Boost quadrático com comutação suave monochaveados para aplicação de rastreamento de máxima potência em sistemas fotovoltaicos

This paper makes a comparative study of two Soft Single Switched Quadratic Boost Converters (SSS1 and SSS2) focused on Maximum Power Point Tracking (MPPT) of a PV array using Perturb and Observe (P&O) algorithm. The proposed converters maintain the static gain characteristics and dynamics of the original converter with the advantage of considerably reducing the switching losses and Electromagnetic Interference (EMI). It is displayed the input voltage Quadratic Boost converter modeling; qualitative and quantitative analysis of soft switching converters, defining the operation principles, main waveforms, time intervals and the state variables in each operation steps, phase planes of resonant elements, static voltage gain expressions, analysis of voltage and current efforts in semiconductors and the operational curves at 200 W to 800 W. There are presented project of PI, PID and PID + Notch compensators for MPPT closed-loop system and resonant elements design. In order to analyze the operation of a complete photovoltaic system connected to the grid, it was chosen to simulate a three-phase inverter using the P-Q control theory of three-phase instantaneous power. Finally, the simulation results and experimental with the necessary comparative analysis of the proposed converters will be presented.

Sistema de armazenamento de energia com base em baterias e no ondulador de tensão trifásico

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

Controladores repetitivos aplicados a filtros ativos de potência sob variações de carga e de frequência da rede

This work presents the development and modification of techniques to reduce the effects of load variation and mains frequency deviation in repetitive controllers applied to active power filters. To minimize the effects of aperiodic signals resulting from the connection or disconnection of non-linear loads is developed a technique which recognizes linear and nonlinear loads, and operates to reset the controller only when the error due to the transition of considerable value, and the transition is from non-linear to linear load. An algorithm to adapt the gain of the repetitive controller, based on a sigmoid function adaptation, in order to minimize the effects caused by random noise in the measurement system is also used. This work also analyzes the effects of frequency variation and presents the main methods to cope with this situation. Some solutions are the change in the number of samples per period and the variation of the sampling rate. The first has the advantage of using linear design techniques and results in a time invariant system. The second method changes the sampling frequency and leads to a time variant system that demands a difficult analysis of stability. The proposed algorithms were tested using the methods of truncation of the number of samples and the method of changing the sampling rate of the system to compensate possible frequency variations of the grid. Experimental results are presented to validate the proposal.

Arquitetura híbrida com DSP e FPGA para implementação de controladores de filtros ativos de potência

The presence of non-linear loads at a point in the distribution system may deform voltage waveform due to the consumption of non-sinusoidal currents. The use of active power filters allows significant reduction of the harmonic content in the supply current. However, the processing of digital control structures for these filters may require high performance hardware, particularly for reference currents calculation. This work describes the development of hardware structures with high processing capability for application in active power filters. In this sense, it considers an architecture that allows parallel processing using programmable logic devices. The developed structure uses a hybrid model using a DSP and an FPGA. The DSP is used for the acquisition of current and voltage signals, calculation of fundamental current related controllers and PWM generation. The FPGA is used for intensive signal processing, such as the harmonic compensators. In this way, from the experimental analysis, significant reductions of the processing time are achieved when compared to traditional approaches using only DSP. The experimental results validate the designed structure and these results are compared with other ones from architectures reported in the literature.