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Title in Portuguese: Análise da estabilidade de sistemas elétricos de potência usando modelos genéricos de fontes eólica e solar fotovoltaica
Author: Parente, Deleon Ponte
Advisor(s): Leão, Ruth Pastôra Saraiva
Keywords: Engenharia elétrica
Energia renovável
Conversores de corrente elétrica
Sistemas de energia fotovoltaica - Estabilidade
Power systems stability
Renewable power plants
Generic models
Issue Date: 23-Apr-2018
Citation: PARENTE, Deleon Ponte. Análise da estabilidade de sistemas elétricos de potência usando modelos genéricos de fontes eólica e solar fotovoltaica. 2018. 191 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
Abstract in Portuguese: Durante os últimos anos, a geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis, controlada por conversores eletrônicos de potência, tem alcançado níveis de participação significativos nas matrizes de eletricidade de diversos países. Para integrá-la adequadamente à rede elétrica, o efeito das fontes renováveis com potência de saída variável, como eólio-elétrica e solar fotovoltaica, deve ser avaliado por meio de análise de estabilidade. A estabilidade de um sistema elétrico de potência (SEP) está relacionada a aumento súbito de carga, perda de geração, rejeição de carga e curtocircuito. Em quaisquer situações é imprescindível que, após a perturbação, o sistema retorne ao ponto de equilíbrio e, consequentemente, à operação normal. Para formalizar um modelo eletromecânico completo, representando o acoplamento dinâmico de fenômenos elétricos e mecânicos e a interface eletrônica das fontes, esta dissertação faz uso de modelos genéricos de sistemas eólio-elétrico e solar fotovoltaico propostos pela Western Electricity Coordinating Council (WECC), EUA. Modelos genéricos se referem a modelos dinâmicos, não proprietários, que podem ser usados para representar plantas de geração variável, independente do fabricante, e permitem representar a dinâmica das plantas de geração durante distúrbios na rede. Tais modelos são exigidos pelos operadores do SEP para realizar o planejamento e operação de suas redes, uma vez que o uso de modelos de fabricantes detalhados não é prático. Essa Dissertação tem como objetivo apresentar os resultados dos estudos de estabilidade de sistemas eólicos de velocidade variável com conversor pleno e com conversor parcial e de sistemas fotovoltaicos de conversor pleno a partir de modelos genéricos implementados em Matlab-Simulink . Os modelos são modularizados e incluem para os sistemas fotovoltaicos o módulo que representa o gerador e conversor, o módulo do controle elétrico dos conversores e o módulo usado para representar o controlador da planta. Nos sistemas eólicos, além dos módulos já citados, tem-se o módulo que representa a conversão aerodinâmica, o controle das pás, o controlador de torque e o sistema mecânico. Os modelos foram concebidos de modo que sejam capazes de representar as dinâmicas das plantas associadas a um baixo custo computacional. Nesse trabalho, são analisados por simulação em MATLAB-Simulink os efeitos sobre a estabilidade transitória de um sistema simplificado proposto pela WECC e do sistema elétrico Nova Inglaterra, proposto pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), de 39 barras e 10 geradores, para diferentes níveis de penetração de geração renovável. Os modelos genéricos utilizados foram validados pela WECC e representam sistemas de geração reais de diversos fabricantes. Foi constatado que as características dos modelos e a escolha da estratégia de controle realizada pela planta são determinantes para redução do impacto das perturbações nos sistemas elétricos. Nas simulações realizadas, as plantas modeladas se comportaram segundo os requisitos técnicos estabelecidos nos procedimentos de rede no Brasil. Os modelos WECC propostos foram capazes de garantir a estabilidade da planta mediante o conjunto de faltas a que os sistemas elétricos simulados foram submetidos. Verificou-se que enquanto a participação das fontes eólicas se manteve inferior a 34% da geração de potência do sistema, o sistema elétrico se manteve estável em diversas condições simuladas. O sistema permaneceu estável quando submetido a distintas perturbações, enquanto a penetração de geração fotovoltaica fosse inferior a 43% da potência total. Durante as contingências, a violação da curva de suportabilidade a subtensões e sobretensões dinâmicas foi a principal causa da desconexão das plantas do sistema.
Abstract: The electricity generation from renewable energy sources, controlled by power electronic converters, has rapidly increased for the last few years worldwide. To properly integrate it to the power systems, the effects of renewable energy sources with variable power, such as wind power and solar power systems (PV), should be evaluated by means of stability analysis. Power systems stability is related to a sudden increase in load, generation loss, load rejection and short circuit. Thus, a complete electromechanical model, representing the dynamic coupling of electrical and mechanical phenomena and the electronic interface of the sources, is needed. This work makes use of generic models of wind power plants and photovoltaic power plant proposed by the Western Electricity Coordinating Council (WECC). The term generic models refer to non-proprietary dynamic models used to represent variable power plants, regardless of the manufacturer, with similar physical and control topology. The generic models shall provide a representation of dynamic electrical performance of power plants during grid disturbances. Such models are employed by the system operators for planning and to manage the power system, since the use of detailed manufacturer models is impractical. This dissertation aims to show the stability analysis results of variable speed wind turbines with partial scale power converter and with full-scale converter and photovoltaic systems. The generic dynamic models for PV plants includes the plant controller, electrical controls and grid interface modules, intended for large-scale PV plants, or a simplified model intended for distribution-connected, aggregated PV plants. The generic models for wind turbine includes, besides the modules mentioned, the module to represents the aerodynamic conversion, the pitch controller, the torque controller and the turbine itself. The models were designed so that they can represent the dynamics of the plants associated to a low computational cost. In this work, the effects on the transient stability in a simplified system proposed by WECC and in the 10-Machine New-England Power System IEEE benchmark are analyzed with MATLAB-Simulink R in different levels of penetration of renewable generation. The generic models used were validated by WECC and they represent real wind turbine generators and photovoltaic systems from various manufacturers. It was verified that the characteristics of the models and the control strategies performed are determinant to reduce the disturbances impact on power systems. The modeled power plants were programmed according to the Brazilian grid codes and behaved itself like according that requirements. The proposed WECC models were able to guarantee the power system stability in different fault scenarios. In these scenarios particularly with wind power penetration cases remain below 34% and with photovoltaic system below 43%, the power system maintains the stability. During the contingencies, the violation of the low voltage ride through curve due dynamic undervoltage and overvoltage was the main cause of the collapse of the power plants.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/35024
metadata.dc.type: Dissertação
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