Projetos de controladores para sistemas de potência utilizando LMI'S

A presente dissertação tem como objetivo estudar e aprimorar métodos de projetos de controladores para sistemas de potência, sendo que esse trabalho trata da estabilidade dinâmica de sistemas de potência e, portanto, do projeto de controladores amortecedores de oscilações eletromecânicas para esses sistemas. A escolha dos métodos aqui estudados foi orientada pelos requisitos que um estabilizador de sistemas de potência (ESP) deve ter, que são robustez, descentralização e coordenação. Sendo que alguns deles tiveram suas características aprimoradas para atender a esses requisitos. A abordagem dos métodos estudados foi restringida à análise no domínio tempo, pois a abordagem temporal facilita a modelagem das incertezas paramétricas, para atender ao requisito da robustez, e também permite a formulação do controle descentralizado de maneira simples. Além disso, a abordagem temporal permite a formulação do problema de projeto utilizando desigualdades matriciais lineares (LMI’s), as quais possuem como vantagem o fato do conjunto solução ser sempre convexo e a existência de algoritmos eficientes para o cálculo de sua solução. De fato, existem diversos pacotes computacionais desenvolvidos no mercado para o cálculo da solução de um problema de inequações matriciais lineares. Por esse motivo, os métodos de projeto para controladores de saída buscam sempre colocar o problema na forma de LMI’s, tendo em vista que ela garante a obtenção de solução, caso essa solução exista.

Regulador automático de tensão robusto utilizando técnicas de controle adaptativo

The stability of synchronous generators connected to power grid has been the object of study and research for years. The interest in this matter is justified by the fact that much of the electricity produced worldwide is obtained with the use of synchronous generators. In this respect, studies have been proposed using conventional and unconventional control techniques such as fuzzy logic, neural networks, and adaptive controllers to increase the stabilitymargin of the systemduring sudden failures and transient disturbances. Thismaster thesis presents a robust unconventional control strategy for maintaining the stability of power systems and regulation of output voltage of synchronous generators connected to the grid. The proposed control strategy comprises the integration of a sliding surface with a linear controller. This control structure is designed to prevent the power system losing synchronism after a sudden failure and regulation of the terminal voltage of the generator after the fault. The feasibility of the proposed control strategy was experimentally tested in a salient pole synchronous generator of 5 kVA in a laboratory structure

Estabilizador de sistema de potência para máquinas síncronas de polos salientes utilizando a transformada Wavelet

The power system stabilizers are used to suppress low-frequency electromechanical oscillations and improve the synchronous generator stability limits. This master thesis proposes a wavelet-based power system stabilizer, composed of a new methodology for extraction and compensation of electromechanical oscillations in electrical power systems based on the scaling coefficient energy of the maximal overlap discrete wavelet transform in order to reduce the effects of delay and attenuation of conventional power system stabilizers. Moreover, the wavelet coefficient energy is used for electric oscillation detection and triggering the power system stabilizer only in fault situations. The performance of the proposed power system stabilizer was assessed with experimental results and comparison with the conventional power system stabilizer. Furthermore, the effects of the mother wavelet were also evaluated in this work

Estabilizador de sistemas de potência digital aplicado a uma unidade geradora da UHE de Tucuruí

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e resultados de testes de campo de um estabilizador de sistemas de potência (ESP) digital, destinado ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas interligados. Os testes experimentais foram efetuados em uma das unidades hidrogeradoras, de 350 MVA, da UHE de Tucuruí. A lei de controle amortecedor do ESP digital foi embarcada em um sistema de hardware baseado em um controlador digital de sinais (DSPIC 30f5011). A estrutura da lei de controle é na forma canónica RST, de tempo discreto, sendo os parâmetros do controlador calculados através da técnica de deslocamento radial de pólos. Para fins de projeto, a dinâmica da planta, no ponto de operação considerado, foi representada por um modelo paramétrico, o qual foi estimado a partir de dados medidos em campo. Os resultados experimentais mostraram um excelente desempenho do ESP digital no amortecimento de um dos modos eletromecânicos observável na UHE de Tucuruí.

Implementação e testes de campo de um ESP digital

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento e os resultados da implementação e testes em campo de um estabilizador de sistema de potência (ESP) projetado com técnica de controle digital para fins de amortecimento de modos de oscilação eletromecânica observáveis em sinais de potência elétrica medido em uma unidade hidro-geradora, de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruí. É apresentada e aplicada a metodologia de identificação de modelos paramétricos lineares do tipo auto regressivo com entradas exógenas (ARX), para estimação de modelos com capacidade de capturar a informação relevante (amortecimento e freqüência natural) dos modos eletromecânicos dominantes do sistema. De posse do modelo paramétrico ARX, é efetuada então a síntese da lei de controle digital amortecedor para o ESP, através da técnica de deslocamento radial dos pólos da função de transferência de malha fechada. Para a síntese da lei de controle digital, utilizou-se uma estrutura canônica do tipo RST. Para os testes de campo, a lei de controle amortecedor do ESP digital foi codificada em linguagem C e embarcada em um protótipo cujo hardware é baseado em microcontrolador modelo DSPIC 30F3014, o qual incorpora um grande número de periféricos para aquisição e comunicação de dados. Para avaliar o desempenho do ESP digital desenvolvido, testes experimentais foram realizados em uma unidade geradora de 350 MVA da casa de força número 1, da UHE de Tucuruí. O estabilizador desenvolvido atua através da modulação da referência de tensão do regulador automático de tensão da respectiva unidade geradora, de acordo com as oscilações observadas através da medida de potência elétrica no estator do gerador. Os resultados de testes de campo mostraram um excelente desempenho do ESP digital no amortecimento de um modo eletromecânico, de freqüência natural de aproximadamente 1,7 Hz, observado nos teste de campo realizado.

Desenvolvimento e implementação de estratégias de controle digital para regulação de tensão e amortecimento de oscilações eletromecânicas em um gerador síncrono de 10kVA

Neste trabalho são apresentados o desenvolvimento e a implementação de estratégias de controle digital para regulação automática de tensão e para o amortecimento de oscilações eletromecânicas em um sistema de potência em escala reduzida de 10kVA, localizado no Laboratório de Controle de Sistemas de Potência (LACSPOT), da Universidade Federal do Pará (UFPA). O projeto dos dois controladores é baseado na técnica de alocação polinomial de polos. Para o projeto do Regulador Automático de Tensão (RAT) foi adotado um modelo simplificado, de primeira ordem, da máquina síncrona, cujos parâmetros foram levantados experimentalmente. Para o controlador amortecedor, por sua vez, também chamado de Estabilizador de Sistemas de Potência (ESP), foi utilizado um modelo discreto, do tipo auto regressivo com entrada exógena (ARX). Este modelo foi estimado por meio de técnicas de identificação paramétrica, considerando para tal, o conjunto motor-gerador interligado a um sistema de maior porte (concessionária de energia elétrica). As leis de controle foram embarcadas em um microcontrolador de alto desempenho e, para a medição dos sinais utilizados nos controladores, foi desenvolvida uma instrumentação eletrônica baseada em amplificadores operacionais para o condicionamento dos sinais dos sensores. O sinal de controle é baseado na técnica de modulação por largura de pulso (PWM) e comanda o valor médio da tensão de um conversor CC-CC, o qual é utilizado como circuito de excitação que energiza o enrolamento de campo do gerador. Além disso, o acionamento elétrico das máquinas que compõem o grupo gerador de 10kVA foi projetado e automatizado somando segurança aos operadores e ao componentes deste sistema de geração. Os resultados experimentais demonstraram o bom desempenho obtido pela estratégia proposta.

Investigação experimental de estratégias de identificação e controle LPV aplicadas ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potência

Nesta tese e realizada a investigação experimental de uma estratégia de controle LPV (do inglês, linear parameter varying) aplicada ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potencia. O estudo foi realizado em um modelo de sistema de potencia em escala reduzida de 10kVA, cuja configuração e do tipo maquina interligada a uma barra infinita, alem de testes em campo em uma unidade geradora de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruvi. Primeiramente, foi desenvolvido e testado computacionalmente um conjunto de rotinas para analise e síntese de controlador amortecedor do tipo LPV, bem como para identificação de modelos LPV da planta. Os coeficientes do controlador amortecedor LPV, no caso um Estabilizador de Sistemas de Potencia (ESP), dependem do valor de uma variável de operação selecionada que, neste estudo, foram as potencias ativa (P) e reativa (Q) nos terminais da unidade geradora. Para fins de projeto, a dinâmica da planta foi representada através de um modelo ARX LPV, o qual foi estimado a partir de dados coletados experimentalmente na planta, para uma ampla faixa de condições operacionais. A partir do modelo LPV da planta, os valores dos parâmetros do ESP LPV foram determinados via um problema de otimização convexa, na forma de uma LMI parametrizada (PLMI). A solução da PLMI e obtida a partir de uma relaxação via decomposição em soma de quadrados. O ESP LPV foi projetado de modo a garantir a estabilidade e o desempenho do sistema para uma ampla faixa de condições operacionais da planta, o que geralmente não e possível de obter com controladores convencionais a parâmetros fixos. A lei de controle amortecedor do ESP LPV foi implementada em um sistema embarcado baseado em um controlador digital de sinais. Os resultados experimentais mostraram um excelente desempenho do ESP LPV no amortecimento de oscilações eletromecânicas, tanto no sistema de potencia em escala reduzida, quanto em uma unidade geradora da UHE de Tucurui.

Projeto e avaliação experimental de uma estratégia baseada em análise intervalar aplicada ao projeto de estabilizador de sistemas de potência robusto implementado em um sistema de geração de 10KVA

Neste trabalho, são apresentados a metodologia de projeto e resultados de testes experimentais de um estabilizador de sistema de potência (ESP), implementado em um sistema de geração em escala reduzida de 10 kVA, localizado no Laboratório de Controle e Sistema de Potência (LACSPOT) da Universidade Federal do Pará (UFPA). O projeto do ESP é baseado em uma estratégia de controle robusto com ênfase em incertezas paramétricas estruturadas, as quais são tratadas com ferramentas da teoria de análise intervalar. Estas incertezas são decorrentes de mudanças do ponto de operação do sistema, que provocam variações nos parâmetros de um modelo matemático linearizado referente ao comportamento dinâmico do sistema elétrico de potência no referido ponto de operação. Para o projeto do ESP robusto intervalar, são realizados uma serie de ensaios experimentais com o propósito de estimar os parâmetros de modelos linearizados da planta, representando satisfatoriamente a dinâmica dos modos poucos amortecidos do sistema de geração interligado. O método de identificação é baseado em técnica de identificação paramétrica, baseado em mínimos quadrados. A partir de um conjunto de dados de entrada e saída, para cada ponto de operação, um modelo linear, do tipo auto-regressivo com entrada exógenos (ARX), estimado para fim de uso do projeto do ESP. Por fim, uma série de testes experimentais é realizada no sistema de geração interligado a rede elétrica local, com o propósito de verificar a efetividade da técnica de controle robusto intervalar proposta para a sintonia do ESP. A partir da análise da função custo do sinal de erro de desvio de potência elétrica na saída do gerador síncrono e a função custo do sinal de controle do ESP comprova-se experimentalmente o bom desempenho obtido pela técnica de controle proposta em comparação com uma técnica de controle clássica.

Métodos de otimização aplicados no ajuste de ESPS e controladores de amortecimento inseridos no FACTS TCSC em sistemas elétricos de potência

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Assessment and optimization of wind energy integration into the power systems: application to the portuguese system

The increasing integration of wind energy in power systems can be responsible for the occurrence of over-generation, especially during the off-peak periods. This paper presents a dedicated methodology to identify and quantify the occurrence of this over-generation and to evaluate some of the solutions that can be adopted to mitigate this problem. The methodology is applied to the Portuguese power system, in which the wind energy is expected to represent more than 25% of the installed capacity in a near future. The results show that the pumped-hydro units will not provide enough energy storage capacity and, therefore, wind curtailments are expected to occur in the Portuguese system. Additional energy storage devices can be implemented to offset the wind energy curtailments. However, the investment analysis performed show that they are not economically viable, due to the present high capital costs involved.

The role of nuclear and other conventional power plants in the flexible energy system

This thesis reviews the role of nuclear and conventional power plants in the future energy system. The review is done by utilizing freely accesible publications in addition to generating load duration and ramping curves for Nordic energy system. As the aim of the future energy system is to reduce GHG-emissions and avoid further global warming, the need for flexible power generation increases with the increased share of intermittent renewables. The goal of this thesis is to offer extensive understanding of possibilities and restrictions that nuclear power and conventional power plants have regarding flexible and sustainable generation. As a conclusion, nuclear power is the only technology that is able to provide large scale GHG-free power output variations with good ramping values. Most of the currently operating plants are able to take part in load following as the requirement to do so is already required to be included in the plant design. Load duration and ramping curves produced prove that nuclear power is able to cover most of the annual generation variation and ramping needs in the Nordic energy system. From the conventional power generation methods, only biomass combustion can be considered GHG-free because biomass is considered carbon neutral. CFB combusted biomass has good load follow capabilities in good ramping and turndown ratios. All the other conventional power generation technologies generate GHG-emissions and therefore the use of these technologies should be reduced.

A proposal for reliability evaluation of components on electric power distribution system integrating probabilistic models and fuzzy inference systems

The system reliability depends on the reliability of its components itself. Therefore, it is necessary a methodology capable of inferring the state of functionality of these components to establish reliable indices of quality. Allocation models for maintenance and protective devices, among others, have been used in order to improve the quality and availability of services on electric power distribution systems. This paper proposes a methodology for assessing the reliability of distribution system components in an integrated way, using probabilistic models and fuzzy inference systems to infer about the operation probability of each component. © 2012 IEEE.

Reconfiguration of radial electric power distribution system via a scatter search algorithm

In this paper, to solve the reconfiguration problem of radial distribution systems a scatter search, which is a metaheuristic-based algorithm, is proposed. In the codification process of this algorithm a structure called node-depth representation is used. It then, via the operators and from the electrical power system point of view, results finding only radial topologies. In order to show the effectiveness, usefulness, and the efficiency of the proposed method, a commonly used test system, 135-bus, and a practical system, a part of Sao Paulo state's distribution network, 7052 bus, are conducted. Results confirm the efficiency of the proposed algorithm that can find high quality solutions satisfying all the physical and operational constraints of the problem.

A cognitive genetic algorithm for power distribution system planning

Power systems are large scale nonlinear systems with high complexity. Various optimization techniques and expert systems have been used in power system planning. However, there are always some factors that cannot be quantified, modeled, or even expressed by expert systems. Moreover, such planning problems are often large scale optimization problems. Although computational algorithms that are capable of handling large dimensional problems can be used, the computational costs are still very high. To solve these problems, in this paper, investigation is made to explore the efficiency and effectiveness of combining mathematic algorithms with human intelligence. It had been discovered that humans can join the decision making progresses by cognitive feedback. Based on cognitive feedback and genetic algorithm, a new algorithm called cognitive genetic algorithm is presented. This algorithm can clarify and extract human's cognition. As an important application of this cognitive genetic algorithm, a practical decision method for power distribution system planning is proposed. By using this decision method, the optimal results that satisfy human expertise can be obtained and the limitations of human experts can be minimized in the mean time.

System operational costs reduction with non-conventional reactive power sources

Wind energy installations are increasing in power systems worldwide and wind generation capacity tends to be located some distance from load centers. A conflict may arise at times of high wind generation when it becomes necessary to curtail wind energy in order to maintain conventional generators on-line for the provision of voltage control support at load centers. Using the island of Ireland as a case study and presenting commercially available reactive power support devices as possible solutions to the voltage control problems in urban areas, this paper explores the reduction in total generation costs resulting from the relaxation of the operational constraints requiring conventional generators to be kept on-line near load centers for reactive power support. The paper shows that by 2020 there will be possible savings of 87€m per annum and a reduction in wind curtailment of more than a percentage point if measures are taken to relax these constraints.