Passivity - Based Control and Stability Analysis for Hydro-Solar Power Systems

Los sistemas de energía modernos se están transformando debido a la inclusión de renovables no convencionales fuentes de energía como la generación eólica y fotovoltaica. A pesar de que estas fuentes de energía son buenas alternativas para el aprovechamiento sostenible de la energía, afectan el funcionamiento y la estabilidad del sistema de energía, debido a su naturaleza inherentemente estocástica y dependencia de las condiciones climáticas. Además, los parques solares y eólicos tienen una capacidad de inercia reducida que debe ser compensada por grandes generadores síncronos en sistemas hidro térmicos convencionales, o por almacenamiento de energía dispositivos. En este contexto, la interacción dinámica entre fuentes convencionales y renovables debe ser estudiado en detalle. Para 2030, el Gobierno de Colombia proyecta que el poder colombiano El sistema integrará en su matriz energética al menos 1,2 GW de generación solar fotovoltaica. Por esta razón, es necesario diseñar controladores robustos que mejoren la estabilidad en los sistemas de energía. Con alta penetración de generación fotovoltaica e hidroeléctrica. Esta disertación estudia nuevas alternativas para mejorar el sistema de potencia de respuesta dinámica durante y después de grandes perturbaciones usando pasividad control basado. Esto se debe a que los componentes del sistema de alimentación son inherentemente pasivos y permiten formulaciones hamiltonianas, explotando así las propiedades de pasividad de sistemas eléctricos. Las principales contribuciones de esta disertación son: una pasividad descentralizada basada control de los sistemas de control de turbinas hidráulicas para sistemas de energía de múltiples máquinas para estabilizar el rotor acelerar y regular el voltaje terminal de cada sistema de control de turbinas hidráulicas en el sistema como, así como un control basado en PI pasividad para las plantas solares fotovoltaicas

Clasificador robusto basado en máquinas de soporte vectorial para la localización de fallas en sistemas de distribución

La energía eléctrica constituye uno de los elementos fundamentales para el desarrollo económico y social de una región, dado que su disponibilidad determina en gran medida los niveles de productividad, las posibilidades de desarrollo agroindustrial y la calidad de vida de los pobladores. Por ello, el estudio de la continuidad del suministro de energía eléctrica ha tomado mucha fuerza y dentro de esta temática el problema de la localización de fallas se posiciona como uno de los más importantes [MORA,2005]. La continuidad en el servicio de energía eléctrica es un aspecto de la calidad, el cual es actualmente cuantificado mediante un índice de referencia agrupado de la discontinuidad (IRAD) y un índice trimestral agrupado de la discontinuidad (ITAD) en Colombia, por la comisión de regulación de energía y gas (CREG), cuyas metas permiten verificar el cumplimiento de los niveles mínimos de calidad del servicio [CREG,2008]. Para mantener estos índices en valores aceptables, es necesario conocer de manera confiable y rápida dónde ocurrió la interrupción del servicio, para la restauración de este en el menor tiempo posible. Sin embargo, en la gran mayoría de los casos la ubicación de la falla está asociada a la posible llamada telefónica de usuarios afectados o al tiempo que demora la cuadrilla en localizar la falla mediante una inspección visual de toda la red

Passivity - Based Control and Stability Analysis for Hydro-Solar Power Systems

Los sistemas de energía modernos se están transformando debido a la inclusión de renovables no convencionales fuentes de energía como la generación eólica y fotovoltaica. A pesar de que estas fuentes de energía son buenas alternativas para el aprovechamiento sostenible de la energía, afectan el funcionamiento y la estabilidad del sistema de energía, debido a su naturaleza inherentemente estocástica y dependencia de las condiciones climáticas. Además, los parques solares y eólicos tienen una capacidad de inercia reducida que debe ser compensada por grandes generadores síncronos en sistemas hidro térmicos convencionales, o por almacenamiento de energía dispositivos. En este contexto, la interacción dinámica entre fuentes convencionales y renovables debe ser estudiado en detalle. Para 2030, el Gobierno de Colombia proyecta que el poder colombiano El sistema integrará en su matriz energética al menos 1,2 GW de generación solar fotovoltaica. Por esta razón, es necesario diseñar controladores robustos que mejoren la estabilidad en los sistemas de energía. Con alta penetración de generación fotovoltaica e hidroeléctrica. Esta disertación estudia nuevas alternativas para mejorar el sistema de potencia de respuesta dinámica durante y después de grandes perturbaciones usando pasividad control basado. Esto se debe a que los componentes del sistema de alimentación son inherentemente pasivos y permiten formulaciones hamiltonianas, explotando así las propiedades de pasividad de sistemas eléctricos. Las principales contribuciones de esta disertación son: una pasividad descentralizada basada control de los sistemas de control de turbinas hidráulicas para sistemas de energía de múltiples máquinas para estabilizar el rotor acelerar y regular el voltaje terminal de cada sistema de control de turbinas hidráulicas en el sistema como, así como un control basado en PI pasividad para las plantas solares fotovoltaicas

Un modelo generalizado y control para almacenadores de energía por superconductor magnético y supercondesador

This paper presents a generalized linear model based on LMI state-feedback with integral action, applicable to the control of Electric Energy Storage Systems (EESS) such as Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) and Supercapacitor Energy Storage (SCES). A Voltage Source Converter (VSC) and a Pulse-Width modulated Current Source Converter (PWM-CSC) are respectively used to integrate the SCES and the SMES systems to the electrical distribution system. To represent the dynamics between the EESS and the power distribution system a reduced general linear model in the state-space representation is introduced. The proposed control scheme regulates independently the active and reactive power ow between the EESS and ac the grid. Three case scenarios comparing a conventional PI controller and the proposed technique are conducted considering grid voltage uctuations. Extensive time-domain simulations demonstrate the robustness and proper performance of the proposed controller to operate the EESS as power compensator, in order to improve the operative conditions of electrical distribution systems.En este articulo se presenta un control de retroalimentación a un modelo lineal generalizado basados en LMI con seguimiento de acción integral para sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (SESS) tales como: a almacenamiento de energía magnética por superconducción (SMES) y almacenamiento de energía eléctrica por supercondensador (SCES). Un compacto de modelo lineal general en la representación del espacio de estado para representar el comportamiento dinámico entre el SESS y el sistema de distribución es presentado. Para integrar los sistemas SCES y SMES al sistema de distribución se utilizan un convertidor de fuente de tensión (VSC) y un convertidor de fuente de corriente modulada por ancho de pulso (PWM-CSC), respectivamente. La estrategia de control propuesta permite el control bidireccional de la potencia activa y reactiva entre el EESS y la red ac de manera independiente. Los resultados de las simulaciones demuestran el desempeño robusto y eciente del control propuesto para operar EESS como compensadores de potencia activa y reactiva, con el n de mejorar las condiciones operativas en el sistema de distribución. Además, todos los casos propuestos se compararon con el controlador PI convencional para vericar su validez

Optimal Economic–Environmental Operation of BESS in AC Distribution Systems: A Convex Multi-Objective Formulation

This paper deals with the multi-objective operation of battery energy storage systems (BESS) in AC distribution systems using a convex reformulation. The objective functions are CO2 emissions, and the costs of the daily energy losses are considered. The conventional non-linear nonconvex branch multi-period optimal power flow model is reformulated with a second-order cone programming (SOCP) model, which ensures finding the global optimum for each point present in the Pareto front. The weighting factors methodology is used to convert the multi-objective model into a convex single-objective model, which allows for finding the optimal Pareto front using an iterative search. Two operational scenarios regarding BESS are considered: (i) a unity power factor operation and (ii) a variable power factor operation. The numerical results demonstrate that including the reactive power capabilities in BESS reduces 200 kg of CO2 emissions and USD 80 per day of operation. All of the numerical validations were developed in MATLAB 2020b with the CVX tool and the SEDUMI and SDPT3 solver

Practical Solution for the Reconfiguration Problem in Electrical Distribution Networks: A Constructive Heuristic Approach

The problem regarding the reconfiguration of electrical distribution grids is addressed in this research through the implementation of a practical solution using a constructive heuristic algorithm. The most important characteristic of the proposed heuristic approach is its low-computation effort, given that few power flow solutions are required in order to solve the reconfiguration problem. The constructive algorithm starts its exploration of the solution space by closing all the tie lines form a fully meshed distribution network. The distribution line with the minimum current is permanently opened. A new power flow evaluation is made for the new distribution system, and the distribution line with the minimum current is opened if and only if this action does not generate isolated nodes. This procedure is repeated until the number of closed lines is equal to the number of nodes minus one, which is a condition required to maintain a radial configuration. Numerical validations in test feeders composed of 16, 33, 69, 84, 136, and 415 nodes demonstrate that the proposed constructive algorithm finds adequate solutions with minimum processing times. The proposed approach is practical for distribution companies since its implementation only requires a power flow tool for distribution networks that can deal with radial and meshed configurations

Stochastic Mixed-Integer Branch Flow Optimization for the Optimal Integration of Fixed-Step Capacitor Banks in Electrical Distribution Grids

Context: The use of capacitor banks is the most common and preferred solution for reducing power loss in electrical distribution networks, given their cost-effectiveness and low maintenance requirements. However, achieving their optimal integration in terms of location and size is a challenging problem.  Method: This paper proposes a stochastic mixed-integer convex model based on a branch flow optimization model, which incorporates three different load-generation conditions, in order to address the stochastic nature of distribution systems. Results: The simulation results indicated that the proposed stochastic mixed-integer branch flow (SMIBF) model provides the best solution for all test feeders analyzed, reducing the objective function value by 39.81%, 35.29%, and 56.31% for the modified 33-, 69-, and 85-node test feeders, respectively. Conclusions: An SMIBF model was developed to optimally integrate fixed-step capacitor banks into electrical distribution grids. This model considered the stochastic nature of distribution systems under multiple operating conditions and ensured that the global optimum could be found

Introducción a la estabilidad de sistemas eléctricos de potencia

Descubre el fascinante mundo detrás de los sistemas eléctricos de potencia, auténticas maravillas tecnológicas que abarcan países enteros con miles de componentes interconectados. La compleja dinámica de estos sistemas implica el uso de herramientas matemáticas y de modelizado que permitan garantizar una operación estable, evitando así posibles apagones. Este libro te invita a explorar esta intrincada red con un enfoque simplificado, especialmente diseñado para estudiantes de ingeniería eléctrica con conocimientos en circuitos eléctricos, análisis de sistemas de potencia y máquinas eléctricas. El libro inicia modelizando la máquina síncrona, como principal componente dinámico de los sistemas clásicos. Igualmente, se presenta el convertidor de potencia, necesario para la integración de recursos renovables. Posteriormente, se presenta las herramientas de análisis de pequeña señal y estabilidad transitoria. El libro recoge más de quince años de experiencia de los autores quienes han orientado este curso en diferentes universidades del país y han realizado investigación en esta área con impacto internacional.Contenido Primera Parte Modelizado de componentes ...............................................................................................21 CAPÍTULO 1 Dinámica del sistema eléctrico............................................................................................23 1.1. Dinámica y estabilidad de sistemas eléctricos .........................................................25 1.2. Un poco de historia ..................................................................................................28 1.3. El sistema eléctrico moderno ...................................................................................29 1.4. Control automático de la generación........................................................................32 1.5. Efecto de las energías renovables.............................................................................33 1.6. Dispositivos FACTs y almacenamiento de energía..................................................36 1.7. Redes en corriente continua .....................................................................................37 1.8. Confiabilidad, seguridad y resiliencia ......................................................................38 1.9. Estudios de estabilidad de sistemas eléctricos .........................................................39 1.10. Escalas de tiempo de los fenómenos dinámicos en los sistemas de potencia ........40 1.11. Clasificación de tipos de estabilidad en los sistemas de potencia. .........................41 1.12. Actividades.............................................................................................................44 CAPÍTULO 2 La máquina síncrona ...........................................................................................................47 2.1. Estructura de la máquina síncrona trifásica..............................................................49 2.2. Campo magnético giratorio......................................................................................51 2.3. Modelo eléctrico de la máquina síncrona.................................................................53 2.3.1. Circuitos magnéticos......................................................................................54 2.3.2. Inductancias en la máquina síncrona ..............................................................58 2.4. Modelo dinámico del eje ..........................................................................................65 2.5. Energía y coenergía ..................................................................................................66 2.6. Actividades...............................................................................................................72 CAPÍTULO 3 Las transformadas de Clarke y Park.................................................................................77 3.1. Dificultades del modelo eléctrico de la máquina .....................................................79 3.2. Transformadas de Clarke y Park ..............................................................................80 3.2.1. Interpretación física de las transformadas......................................................83 3.2.2. Transformación de elementos pasivos............................................................84 3.3. Derivadas en el marco de referencia 0dq .................................................................86 3.4. Modelo eléctrico de la máquina en el marco 0dq.....................................................87 3.5. Actividades...............................................................................................................93 CAPÍTULO 4 Sistemas electromecánicos...................................................................................................97 4.1. Turbina hidroeléctrica ..............................................................................................99 4.2. Modelo de una turbina hidroeléctrica.......................................................................103 4.3. Turbina termoeléctrica..............................................................................................106 4.4. Turbina eólica...........................................................................................................109 4.5. Sistemas de fase no-mínima.....................................................................................113 4.6. Gobernador de velocidad y control primario ...........................................................114 4.7. Sistema de excitación y AVR ...................................................................................115 4.8. Actividades...............................................................................................................118 CAPÍTULO 5 Modelos simplificados de la máquina síncrona .................................................................121 5.1. Modelo promediado .................................................................................................123 5.2. Transitorio, subtransitorio y estado estacionario......................................................125 5.3. Modelo clásico .........................................................................................................125 5.4. Modelo transitorio....................................................................................................130 5.5. Modelo de Heffron-Phillips......................................................................................136 5.6. Actividades...............................................................................................................140 CAPÍTULO 6 El convertidor de potencia ..................................................................................................143 6.1. Integración de fuentes renovables............................................................................145 6.2. Control vectorial clásico...........................................................................................147 6.3. El PLL ......................................................................................................................149 6.4. Modulación por ancho de pulsos..............................................................................150 6.5. Modelo promediado .................................................................................................151 6.6. Control interno de corrientes....................................................................................154 6.7. Control externo de potencia .....................................................................................157 6.8. Otras formas de control............................................................................................158 6.9. Convertidores formadores de red .............................................................................159 6.10. Control en redes altamente resistivas.....................................................................161 6.11. Convertidor modular multi-nivel............................................................................162 6.12. Actividades.............................................................................................................164 Segunda Parte Estabilidad en estado estacionario .....................................................................................167 CAPÍTULO 7 Estabilidad de pequeña señal para una única máquina conectada a una barra infinita.....169 7.1. Estabilidad en sistemas linealizados ........................................................................171 7.1.1. Valores y vectores propios..............................................................................174 7.2. El operador exponencial..........................................................................................178 7.2.1. Análisis en el plano.........................................................................................182 7.3. Análisis de un generador conectado a una barra infinita..........................................184 7.3.1. Modelo clásico................................................................................................184 7.3.2. Modelo transitorio ..........................................................................................186 7.4. Actividades...............................................................................................................189 CAPÍTULO 8 Análisis de sensibilidad........................................................................................................191 8.0.1. Equilibrios hiperbólicos...............................................................................................193 8.1. Bifurcaciones ..................................................................................................................195 8.2. Tasa de amortiguamiento ................................................................................................198 8.3. Factores de participación ................................................................................................199 8.4. Funciones de sensibilidad ...............................................................................................202 8.5. Actividades......................................................................................................................205 CAPÍTULO 9 Análisis de redes...................................................................................................................209 9.1. Representación matricial de la red..................................................................................211 9.2. El flujo de potencia .........................................................................................................215 9.2.1. Flujo de potencia lineal .....................................................................................220 9.3. Eliminación de nodos de Kron........................................................................................222 9.4. Actividades......................................................................................................................226 CAPÍTULO 10 Estabilidad de pequeña señal en el caso multi-máquina ..................................................229 10.1. Modelo clásico multi-máquina .....................................................................................231 10.2. Modelo con respecto al centro de inercia .....................................................................237 10.3. Modelo general multi-máquina.....................................................................................238 10.4. El fenómeno de resonancia subsíncrona .......................................................................239 10.5. Estudios de estabilidad de pequeña señal .....................................................................242 10.6. Actividades....................................................................................................................244 CAPÍTULO 11 Estabilidad de tensión..........................................................................................................247 11.1. Colapso de tensión ........................................................................................................249 11.2. Análisis de un generador conectado a una carga...........................................................250 11.3. Curvas en nariz..............................................................................................................253 11.4. Modelo de la carga ........................................................................................................254 11.5. Efecto de los sistemas de compensación.......................................................................255 11.6. Efecto de los controles en los transformadores.............................................................256 11.7. Análisis de sensibilidad.................................................................................................257 11.8. Formas de mejorar la estabilidad de tensión.................................................................260 11.9. Actividades....................................................................................................................260 Parte 3 Estabilidad transitoria.........................................................................................................263 CAPÍTULO 12 Método de áreas iguales.......................................................................................................265 12.1. Estabilidad transitoria ...................................................................................................267 12.2. Análisis en el plano de fases .........................................................................................269 12.3. Método de áreas iguales................................................................................................271 12.4. Formas de mejorar la estabilidad transitoria.................................................................281 12.4.1. Aumento de la tensión del sistema del sistema ...............................................281 12.4.2. Desconexión de un generador .........................................................................282 12.4.3. Compensación serie.........................................................................................283 12.4.4. Compensación paralelo ...................................................................................284 12.4.5. Resistencia transitoria .....................................................................................284 12.4.6. Recierres..........................................................................................................285 12.4.7. Control en el gobernador de velocidad ...........................................................286 12.5. Actividades....................................................................................................................287 CAPÍTULO 13 Estabilidad transitoria en el caso multi-máquina.............................................................289 13.1. Método de áreas iguales para dos máquinas síncronas.................................................291 13.1.1. Solución numérica de ecuaciones diferenciales.........................................................297 13.2. Modelo clásico para un sistema multi-máquina............................................................299 13.3. Dinámica con respecto al centro de inercia ..................................................................305 13.4. Actividades....................................................................................................................307 CAPÍTULO 14 Pasividad, disipatividad y funciones de energía................................................................309 14.1. Funciones de Lyapunov ................................................................................................311 14.2. Pasividad y disipatividad ..............................................................................................320 14.3. Conexión de sistemas pasivos.......................................................................................323 14.4. Sistemas hamiltonianos controlados por puertos..........................................................325 14.5. Actividades....................................................................................................................333 Referencias.............................................................................................................................33

Análisis del procesamiento de los datos de entrada para un localizador de fallas en sistemas de distribución

Aimed to determine the effect of data normal­ization on the accuracy and the computational effort of a fault locator based on support vector machines (SVM), a comparison of five different data preprocessing strategies are analyzed in this paper. The proposed methodology is tested on an IEEE 34-bus test feeder, which is subdivided in eleven zones, by using a database of 6442 single-phase to ground faults obtained under dif­ferent load conditions. Considering the testing scenarios, the comparison of the proposed pre­processing methods shows that Min-Max meth­od has the best performance mainly considering computational effort and average accuracy on the fault locator.En este artículo se presenta una comparación de cinco métodos de normalización de datos para un método de clasificación basado en la máquina de soporte vectorial (SVM), con el objetivo de de­terminar cuál es la influencia de estos métodos en la precisión y el esfuerzo computacional del loca­lizador de fallas en sistemas de distribución. La metodología propuesta se prueba en un sistema de distribución estándar de 34 nodos de la IEEE, el cual se subdivide en 11 zonas, de donde se ob­tiene una base de datos de 6442 registros de falla monofásica a diferentes condiciones de carga. La comparación de estos métodos de normalización muestra que el método Min-Max presentó un me­jor rendimiento en tiempo computacional y pre­cisión promedio del localizador de fallas, en los casos estudiados

Metodología para la selección de atributos y condiciones operativas para la localización de fallas basada en la máquina de soporte vectorial

Context: Energy distribution companies must employ strategies to meet their timely and high quality service, and fault-locating techniques represent and agile alternative for restoring the electric service in the power distribution due to the size of distribution services (generally large) and the usual interruptions in the service. However, these techniques are not robust enough and present some limitations in both computational cost and the mathematical description of the models they use.Method: This paper performs an analysis based on a Support Vector Machine for the evaluation of the proper conditions to adjust and validate a fault locator for distribution systems; so that it is possible to determine the minimum number of operating conditions that allow to achieve a good performance with a low computational effort.Results: We tested the proposed methodology in a prototypical distribution circuit, located in a rural area of Colombia. This circuit has a voltage of 34.5 KV and is subdivided in 20 zones. Additionally, the characteristics of the circuit allowed us to obtain a database of 630.000 records of single-phase faults and different operating conditions. As a result, we could determine that the locator showed a performance above 98% with 200 suitable selected operating conditions.Conclusions: It is possible to improve the performance of fault locators based on Support Vector Machine. Specifically, these improvements are achieved by properly selecting optimal operating conditions and attributes, since they directly affect the performance in terms of efficiency and the computational cost.Contexto: Las técnicas de localización de fallas se presentan como una alternativa ágil de restauración del servicio eléctrico en las redes de distribución de energía, debido a que los circuitos de distribución son generalmente de gran tamaño y las interrupciones del servicio son comunes. Por tanto, las empresas distribuidoras deben emplear estrategias para cumplir con su servicio oportuno y de alta calidad. Sin embargo, las técnicas de localización son poco robustas y presentan algunas limitaciones en costo computacional y en la descripción matemática de los modelos utilizados.Método: Este artículo está orientado al análisis de las condiciones adecuadas de ajuste y validación de un localizador de fallas para sistemas de distribución, basado en la máquina de soporte vectorial. Con esto es posible determinar el número mínimo de condiciones operativas que permiten alcanzar un buen desempeño con un bajo esfuerzo computacional.Resultados: La metodología propuesta se prueba en un circuito de distribución prototipo rural de Colombia a 34,5 kV, subdividido en 20 zonas, el cual, ante fallas monofásicas y diferentes condiciones de operativas, permite obtener una base de datos de 630.000 registros. Como resultado, se determina que a partir de 200 condiciones operativas adecuadamente seleccionadas, el localizador mostró un desempeño superior al 98 %.Conclusiones: Es posible mejorar el desempeño de localizadores de fallas basados en la máquina de soporte vectorial (SVM), mediante la selección adecuada de atributos y condiciones operativas, las cuales afectan directamente el rendimiento en términos de desempeño y costo computacional