Análise e avaliação do desempenho dos controladores em sistemas elétricos com ressonância

Abstract

Essa dissertação apresenta a análise e condições para a ocorrência de ressonância quase forte em sistemas elétricos, e avalia o desempenho dinâmico dos estabilizadores de sistemas de potência (PSSs - Power System Stabilizers), perante esta ocorrência em comparação com o mecanismo convencional de perda de estabilidade. O estudo mostra, como a variação de um parâmetro do sistema pode provocar interação entre dois modos de oscilação. A análise é feita usando-se um sistema teste de 2 áreas e 4 máquinas, em que um modo inter-área interage com um modo da excitatriz, causando a perda de amortecimento do modo inter-área após a interação. O crescimento do acoplamento entre os modos envolvidos na ressonância é mensurado através do rastreamento do ângulo entre os autovetores associados a esses modos. O mecanismo convencional de perda de estabilidade considerada, consiste na perda do amortecimento de um único modo inter-área de forma isolada. A função do PSS é fornecer o torque de amortecimento aos sistemas, quando sujeitos à oscilações eletromecânicas de baixa frequência. Os projetos dos controladores usados neste trabalho são baseados no critério de estabilidade de Nyquist e na otimização dos índices de desempenho e robustez. Controladores de ordem fixa e realimentação de saídas são considerados, bem como a estrutura que utiliza sinais locais com as configurações de controle de uma entrada e uma saída (SISO) e controle multivariável (MIMO). O objetivo principal dos PSSs projetados é garantir, além da estabilidade global do sistema, a robustez e o bom desempenho dinâmico em todo intervalo de operação considerado. O desempenho dos PSSs é analisado através do amortecimento do modo de oscilação inter-área, tomando a curva de amortecimento do sistema não controlado como índice de desempenho. A avaliação do desempenho não linear é investigada através da aplicação de um curto-circuito trifásico em uma das barras do sistema.

Abstract: This dissertation presents the analysis and conditions for the occurrence of near strong resonance in power systems, and evaluates the dynamic performance of PSSs (Power System Stabilizers), in view of this occurrence in comparison with the conventional mechanism of loss of stability. The study shows, how the variation of a parameter can cause interaction between two oscillation modes of the system. The analysis is carried out using a 2-area and 4-machine test system, in which an inter-area mode interacts with an exciter mode, causing loss of inter-area mode damping after the interaction. The growth of the coupling between the modes involved in the resonance is measured by tracking the angle between the eigenvectors associated with these modes. The conventional mechanism of loss of stability considered, consists of the loss of damping in a single inter-area mode. The purpose of the PSSs is to provide the damping torque to the systems, when subjected to low frequency electromechanical oscillations. The controller designs used in this work are based on Nyquist?s stability criterion and on the optimization of performance and robustness indices. Fixed order controllers and output feedback are considered, as well as the structure that uses local signals with the SISO (Single Input and Single Output) control settings and multivariable control (MIMO - Multiple Inputs and Multiple Outputs). The main objective of the projected PSSs is to guarantee, in addition to the overall stability of the system, the robustness and the good dynamic performance in the entire operation interval considered. The performance of the PSSs is analyzed through the damping of the inter-area mode, taking the damping curve of the non-compensated system as a performance index. The evaluation of nonlinear performance is investigated through the application of a three-phase short-circuit on one bus of the system.