aplicação de algoritmos bio-inspirados na parametrização dos controladores suplementares de

193 Pages·2012·3.24 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”

Câmpus de Ilha Solteira

LUÍS FABIANO BARONE MARTINS

APLICAÇÃO DE ALGORITMOS BIO-INSPIRADOS NA
PARAMETRIZAÇÃO DOS CONTROLADORES SUPLEMENTARES DE
AMORTECIMENTO E DISPOSITIVO FACTS UPFC

Ilha Solteira
2017
LUÍS FABIANO BARONE MARTINS

APLICAÇÃO DE ALGORITMOS BIO-INSPIRADOS NA
PARAMETRIZAÇÃO DOS CONTROLADORES SUPLEMENTARES DE
AMORTECIMENTO E DISPOSITIVO FACTS UPFC

Tese apresentada à Faculdade de

Engenharia - UNESP - Campus de Ilha
Solteira, para obtenção do título de
Doutor em Engenharia Elétrica.
Área de Conhecimento: Automação.

Prof. Dr. Percival Bueno de Araujo
Orientador

Ilha Solteira
2017
Martins APLICAÇÃO DE ALGORITIlMhaO SSo BltIeOir-aIN22SP/0IR8A/2D0O1S7 1N9A2 PARAMESTimRIZAÇÃO TDeOsSe C(dOoNuTtoRErOanLdgAeoDn)OhaRrEiaS EESnlUégPterLniEchaMarEiNa TSEAilméRtEriSc aDE AMORTECIMENTO E DISPOSITIVO FACTS UPFC
.
.
FICHA CATALOGRÁFICA
Desenvolvido pelo Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação

Martins, Luís Fabiano Barone.
M386a Aplicação de algoritmos bio-inspirados na parametrização dos
controladores suplementares de amortecimento e dispositivo FACTS UPFC /
Luís Fabiano Barone Martins. -- Ilha Solteira: [s.n.], 2017
192 f. : il.

Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia
de Ilha Solteira. Área de conhecimento: Automação, 2017

Orientador: Percival Bueno De Araujo

Inclui bibliografia

1. Estabilidade a pequenas perturbações. 2. Modelo de sensibilidade de
corrente. 3. Unified power flow controller. 4. Metaheurísticas. 5. Algoritmos
bio-inspirados.

À Pérola Lima Martins
AGRADECIMENTOS
Ao Grande Arquiteto do Universo por me guiar até aqui.
Aos meus pais, Matilde e Lourival, pelo esforço que empenharam em minha educação,
muitas vezes trocando seus projetos pelos meus.
À minha filha Pérola pela inspiração.
À minha esposa Thaís pelo amor, dedicação e sobretudo compreensão, sem os quais
nada disso seria realizado.
Ao meu orientador, professor Percival, pela oportunidade de fazer parte de sua equipe
e não menos, por sua amizade e paciência.
Aos meus amigos do grupo de pesquisa: Danilo e Maxwell pela acolhida inicial;
Bruno, Ednei e André pela parceria e; Elenilson, em especial, pelo apoio nos momentos críticos.
A todos os professores e funcionários do departamento de engenharia elétrica, que
fizeram parte direta ou indiretamente da execução deste trabalho.
Ao Instituto Federal do Paraná pelo aporte financeiro e afastamento de minhas
atividades presenciais os quais foram imprescindíveis na conclusão deste trabalho.
"A maior recompensa para o trabalho do homem não é o que ele ganha com isto, mas o que
ele se torna com isto."
John Ruskin (1819 – 1900)
RESUMO

Neste trabalho são apresentados quatro métodos de otimização bio-inspirados, Colônia de
Abelhas Artificiais, Otimização por Enxame de Partículas, Algoritmo dos Vagalumes e um
híbrido aqui denominado por Bee – PSO, que combina particularidades dos outros três. Estes
métodos são utilizados no ajuste coordenado dos parâmetros dos controladores Proporcional-
Integral e Suplementares de Amortecimento (Estabilizadores de Sistemas de Potência e o
conjunto Unified Power Flow Controller – Power Oscillation Damping ). O objetivo é inserir
amortecimento adicional aos modos oscilatórios de baixa frequência e, consequentemente,
garantir a estabilidade do sistema elétrico frente a pequenas perturbações. São considerados três
cenários que englobam duas configurações de instalação dos controladores suplementares e
duas condições de carregamento, uma fixa e outra variável. Uma formulação por injeções de
corrente do dispositivo Unified Power Flow Controller é sugerida e incorporada ao Modelo de
Sensibilidade de Corrente, utilizado para representar o sistema elétrico de potência. Análises
estática e dinâmica foram realizadas nos sistemas teste Simétrico de Duas Áreas e New England
para validar o modelo de injeções de corrente proposto para o Unified Power Flow Controller
e determinar qual dos algoritmos apresentados é o mais eficiente no ajuste coordenado dos
parâmetros dos controladores. Dos resultados obtidos foi possível concluir que a versão híbrida
proposta neste trabalho possui desempenho superior na maioria dos cenários analisados,
fornecendo soluções com amortecimento suficiente, mesmo quando pequenas variações no
carregamento do sistema são consideradas.

Palavras–chave : Modelo de sensibilidade de corrente. Unified power flow controller.
Estabilizadores de sistemas de potência. Power oscillation damping. Algoritmos bio-inspirados.
ABSTRACT

In this work four bio-inspired optimization methods, Artificial Bee Colony, Particle Swarm
Optimization, Firefly Algorithm, and a hybrid called Bee – PSO, which combines the
characteristics of the other three are presented. These methods are used in the coordinated
adjustment of the parameters of Proportional-Integral and Supplementary Damping Controllers
(Power System Stabilizers and the Unified Power Flow Controller - Power Oscillation
Damping). The goal is to insert additional damping into the low-frequency oscillatory modes
and thus ensure the stability of the electrical system against minor disturbances. Three scenarios
are considered that include two installation configurations of the supplementary controllers and
two charging conditions, one fixed and one variable. A current injection formulation of the
Unified Power Flow Controller is suggested and incorporated into the Current Sensitivity
Model used to represent the electric power system. Static and dynamic analyzes were performed
in the Two-Zone Symmetric and New England test systems to validate the proposed current
injection model for the Unified Power Flow Controller and to determine which of the presented
algorithms is the most efficient in the coordinated adjustment of the parameters of the
controllers. From the results obtained it was possible to conclude that the hybrid version
proposed in this work has superior performance in most scenarios analyzed, providing solutions
with sufficient damping, even when small variations in system loading are considered.

Keywords: Current sensitivity model. Unified power flow controller. Power system stabilizers.
Power oscillation damping. Bio-inspired algorithms.
LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Diagrama de blocos do UPFC. ............................................................................ 39
Figura 2 – Representação do UPFC para o Modelo de Injeção de Corrente. ....................... 40
Figura 3 – Representação da fonte de tensão série por uma fonte de corrente. .................... 41
Figura 4 – Transformação da fonte de corrente série. .......................................................... 44
Figura 5 – Diagrama fasorial devido a inclusão do UPFC. .................................................. 46
Figura 6 – Representação do Modelo de Injeções de Corrente para o UPFC. ..................... 46
Figura 7 – Estrutura do sistema de controle do UPFC. ........................................................ 48
Figura 8 – Controle dos fluxos de potência pelo UPFC. ...................................................... 49
Figura 9 – Diagrama unifilar do gerador síncrono da barra k . .............................................. 52
Figura 10 – Diagrama fasorial do gerador k . .......................................................................... 54
Figura 11 – Fluxo de corrente no sistema multimáquinas. ..................................................... 56
Figura 12 – Balanço nodal de correntes na barra 𝑘. ............................................................... 60
Figura 13 – Regulador Automático de Tensão. ...................................................................... 68
Figura 14 – Estrutura do controlador ESP. ............................................................................. 74
Figura 15 – Divisão dos blocos washout e avanço/atraso. ..................................................... 75
Figura 16 – Estrutura do controlador POD. ............................................................................ 79
Figura 17 – Modelo dinâmico do UPFC equipado com POD. ............................................... 79
Figura 18 – Topologia global ou gbest . ................................................................................ 103
Figura 19 – Topologia local ou lbest . ................................................................................... 104
Figura 20 – Região do espaço desejada para os autovalores de interesse. ........................... 112
Figura 21 – Diagrama unifilar do sistema Simétrico de Duas Áreas. .................................. 115
Figura 22 – Fatores de participação dos geradores em relação aos modos oscilatórios
dominantes do sistema teste Simétrico de Duas Áreas. .................................... 126
Figura 23 – Evolução média dos coeficientes de amortecimento mínimos para o cenário B do
sistema teste Simétrico de Duas Áreas .............................................................. 128