Metodologia de sintonia de estabilizadores de sistemas de potência multibanda para mitigação de oscilações de baixa frequência em unidades geradoras

Abstract

Este trabalho aborda a problemática da estabilidade eletromecânica em sistemas de potência modernos, com ênfase na sintonização de estabilizadores de sistema de potência multi-banda (PSS4) aplicados a unidades geradoras síncronas de grande porte. A crescente complexidade das redes elétricas interconectadas, aliada à presença de oscilações eletromecânicas em uma ampla faixa de frequências, impõe desafios adicionais à atuação dos sistemas de excitação e dos estabilizadores convencionais de banda única. Em particular, o sistema elétrico colombiano apresenta oscilações recorrentes de frequência extremamente baixa, na faixa de 0,02 a 0,05~Hz, que comprometem a regulação de tensão quando metodologias tradicionais de sintonização são aplicadas. Inicialmente, é apresentada uma revisão dos fundamentos de estabilidade a pequenas perturbações, destacando a influência do sistema de excitação e do estabilizador de sistema de potência no amortecimento dos modos eletromecânicos. São discutidas as características dos estabilizadores de banda única (PSS2C) e dos estabilizadores multi-banda (PSS4C), conforme os modelos padronizados pela IEEE. Em seguida, são analisadas as limitações das metodologias clássicas de parametrização do PSS4, baseadas predominantemente em critérios de compensação de fase, quando aplicadas a sistemas com modos de oscilação de frequência ultra baixa. Como principal contribuição, neste trabalho é proposta uma metodologia de otimização para a sintonização do PSS4 que considera simultaneamente critérios de fase e magnitude da resposta em frequência do sistema, permitindo reduzir a atuação do estabilizador em frequências muito baixas e reforçar o amortecimento nas frequências associadas aos modos de oscilação locais das unidades geradoras. A metodologia é aplicada a duas unidades geradoras localizadas na Colômbia, cuja potência combinada representa parcela significativa da capacidade instalada do país. Os resultados são avaliados por meio de simulações dinâmicas em domínio da frequência e do tempo, seguindo os critérios estabelecidos pelo código de rede colombiano, e complementados por ensaios de campo realizados nas unidades. Os resultados demonstram que a metodologia proposta é capaz de mitigar oscilações eletromecânicas sem introduzir oscilações indesejadas na tensão terminal, atendendo simultaneamente aos requisitos de estabilidade e de qualidade de tensão. A abordagem desenvolvida apresenta potencial de generalização para outros sistemas elétricos que enfrentam desafios semelhantes, contribuindo para a operação segura e confiável de sistemas de potência modernos.

This work addresses the problem of electromechanical stability in modern power systems, with emphasis on the tuning of multi-band power system stabilizers (PSS4) applied to large synchronous generating units. The increasing complexity of interconnected power networks, combined with the presence of electromechanical oscillations over a wide frequency range, poses additional challenges to excitation systems and conventional single-band stabilizers. In particular, the Colombian power system exhibits recurring ultra-low-frequency oscillations, in the range of 0.02 to 0.05~Hz, which may adversely affect terminal voltage regulation when traditional tuning methodologies are employed. Initially, a review of small-signal stability fundamentals is presented, highlighting the role of excitation systems and power system stabilizers in damping electromechanical modes. The characteristics of single-band stabilizers (PSS2C) and multi-band stabilizers (PSS4C), as standardized by IEEE models, are discussed. The limitations of classical PSS4 tuning approaches, mainly based on phase compensation criteria, are then analyzed, especially when applied to systems dominated by very low-frequency oscillatory modes. As the main contribution, this work proposes an optimization-based methodology for PSS4 tuning that simultaneously considers phase and magnitude criteria of the system frequency response. This approach allows reducing the stabilizer action at very low frequencies while enhancing damping at frequencies associated with local oscillation modes of the generating units. The proposed methodology is applied to two generating units located in Colombia, whose combined capacity represents a significant share of the national installed generation. The results are evaluated through frequency- and time-domain dynamic simulations in accordance with the Colombian grid code requirements and are complemented by field tests performed on the units. The results demonstrate that the proposed methodology effectively mitigates electromechanical oscillations without introducing undesirable terminal voltage oscillations, meeting both stability and voltage quality requirements. The developed approach shows potential for generalization to other power systems facing similar challenges, contributing to the secure and reliable operation of modern power systems.