Multiarea optimal power flow using multiobjective evolutionary algorithm

In this work the multiarea optimal power flow (OPF) problem is decoupled into areas creating a set of regional OPF subproblems. The objective is to solve the optimal dispatch of active and reactive power for a determined area, without interfering in the neighboring areas. The regional OPF subproblems are modeled as a large-scale nonlinear constrained optimization problem, with both continuous and discrete variables. Constraints violated are handled as objective functions of the problem. In this way the original problem is converted to a multiobjective optimization problem, and a specifically-designed multiobjective evolutionary algorithm is proposed for solving the regional OPF subproblems. The proposed approach has been examined and tested on the RTS-96 and IEEE 354-bus test systems. Good quality suboptimal solutions were obtained, proving the effectiveness and robustness of the proposed approach. ©2009 IEEE.

Distributed generation modelling for unbalanced three-phase power flow calculations in smart grids

Distributed Generators (DG) are generally modeled as PQ or PV buses in power flow studies. But in order to integrate DG units into the distribution systems and control the reactive power injection it is necessary to know the operation mode and the type of connection to the system. This paper presents a single-phase and a three-phase mathematical model to integrate DG in power flow calculations in distribution systems, especially suited for Smart Grid calculations. If the DG is in PV mode, each step of the power flow algorithm calculates the reactive power injection from the DG to the system to keep the voltage in the bus in a predefined level, if the DG is in PQ mode, the power injection is considered as a negative load. The method is tested on two well known test system, presenting single-phase results on 85 bus system, and three-phase results in the IEEE 34 bus test system. © 2011 IEEE.

Short-term planning of electric power distribution networks using multiobjective genetic algorithim

The high active and reactive power level demanded by the distribution systems, the growth of consuming centers, and the long lines of the distribution systems result in voltage variations in the busses compromising the quality of energy supplied. To ensure the energy quality supplied in the distribution system short-term planning, some devices and actions are used to implement an effective control of voltage, reactive power, and power factor of the network. Among these devices and actions are the voltage regulators (VRs) and capacitor banks (CBs), as well as exchanging the conductors sizes of distribution lines. This paper presents a methodology based on the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) for optimized allocation of VRs, CBs, and exchange of conductors in radial distribution systems. The Multiobjective Genetic Algorithm (MGA) is aided by an inference process developed using fuzzy logic, which applies specialized knowledge to achieve the reduction of the search space for the allocation of CBs and VRs.

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.

Alívio de sobrecargas em redes de transmissão com o auxílio de geradores distribuídos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Análise do suporte de reativos em um sistema elétrico de potência com link HVDC

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Planejamento de reativos em sistemas de energia elétrica através de um algoritmo de Branch-and-Bound não linear

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação de estratégias de controle de potência reativa de aerogeradores síncronos em redes elétricas

No presente trabalho é avaliada uma metodologia de injeção de potência reativa em redes elétricas durante afundamentos de tensão provocados por curto-circuito, em parques eólicos interligados, adotada em alguns países com maturidade tecnológica na produção de energia eólica. Nos estudos desenvolvidos, foi utilizado o aerogerador síncrono a imã permanente com conversor pleno em função da grande controlabilidade do conversor interligado à rede e por possuir elevada capacidade de fornecimento de potência reativa, comparada a outras tecnologias de aerogeradores. No Brasil, os requisitos de interligação de parques eólicos as redes elétricas, definido pelo Operador Nacional do Sistema, ainda não estipula a necessidade de adoção de tal metodologia durante defeitos na rede elétrica, apenas especifica a curva de capacidade de afundamentos de tensão que os aerogeradores devem seguir para evitar o desligamento frente a afundamentos de tensão. Os critérios de proteção do aerogerador síncrono são avaliados a partir de simulações de curto-circuito em uma rede de teste adotando-se os requisitos do Brasil, sem injeção de potência reativa, sendo comparados com o de outros países que adotam curvas de injeção de potência reativa.

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.

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.

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.

Multifunctional current reference generation strategy for grid-tied power electronic converter

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

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.

STC power for 15MW of PV comparing nameplate, initial power and power after 4 years

To date, the majority of quality controls performed at PV plants are based on the measurement of a small sample of individual modules. Consequently, there is very little representative data on the real Standard Test Conditions (STC) power output values for PV generators. This paper presents the power output values for more than 1300 PV generators having a total installed power capacity of almost 15.3 MW. The values were obtained by the INGEPER-UPNA group, in collaboration with the IES-UPM, through a study to monitor the power output of a number of PV plants from 2006 to 2009. This work has made it possible to determine, amongst other things, the power dispersion that can be expected amongst generators made by different manufacturers, amongst generators made by the same manufacturer but comprising modules of different nameplate ratings and also amongst generators formed by modules with the same characteristics. The work also analyses the STC power output evolution over time in the course of this 4-year study. The values presented here could be considered to be representative of generators with fault-free modules.