Dissertação
Using sigmoid functions for representing limits of generators and static Var compensators and their impact on the voltage stability study
Autor
Barbosa, João Pedro Peters
Institución
Resumen
This work presents new equipment’s representation methodologies in the steadystate power flow analysis and their impacts on the voltage stability of electrical power
systems. With special focus on system’s voltage collapse scenario, characterized by a
stability to instability transition, the traditional power flow method is reformulated with
the introduction of smooth functions. As an option to introduce the desired smoothness,
it is opted to incorporate the sigmoid function into the power flow formulation. The
sigmoid function can be implemented within the traditional Newton-Raphson power flow
formulation in the modeling of various control equipments. For the purpose of this work, it
will be proposed new modelings for generators and Static VAr Compensators (SVCs). On
account of being able to actively participate in voltage regulation, by means of controling
reactive power injection, absorption and flow, these equipments received an exceptional
attention. In order to analyze the condition of voltage collapse, power systems are stressed
with gradual increases in generation and load. The continuous power flow tool is, therefore,
applied, considering equipment’s limits and saturation characteristics under study. On
a general point of view, the voltage collapse is considered as a power system’s point
of maximum loadability, on the threshold of voltage stability. In a mathematical point
of view, however, the voltage collapse is characterized as a point where a bifurcation
occurs. Since power flow solves a system of nonlinear equations, and the continuous power
flow determines a sequence of nonlinear equations solutions, bifurcations can be present
throughout power flow analysis and simulations. Hence, several types of bifurcations can
be observed, being characterized by dierent mathematical conditions. The use of sigmoid
function in the modeling of control equipment proposes a new condition of voltage stability
for electrical systems. The bifurcations found within the system, that once may have
had dierent characteristics, now have the same common characteristic. This condition
is translated as an advantage for voltage stability of electrical power systems in terms
of easily identification of critical scenarios, which are responsible for admitting collapse.
All propositions were tested by means of several simulations on dierent test-systems.
A Python-based program was developed and the result simulations were validated by
CEPEL’s (Electric Energy Research Center) production-grade academic version software. Este trabalho apresenta novas metodologias de representação de equipamentos
na análise de fluxo de potência em regime permanente e seus impactos na estabilidade
de tensão de sistemas elétricos de potência. Com foco especial no cenário de colapso de
tensão do sistema, caracterizado por uma transição de estabilidade para instabilidade, o
método tradicional de fluxo de potência é reformulado com a introdução de funções suaves.
Como opção para introduzir a desejada suavidade, optou-se por incorporar a função
sigmoide na formulação do fluxo de potência. A função sigmoide pode ser implementada
dentro da formulação tradicional de fluxo de potência de Newton-Raphson na modelagem
de vários equipamentos de controle. Para o propósito deste trabalho, serão propostas
novas modelagens para geradores e Compensadores Estáticos de Potência Reativa (CERs).
Por poderem participar ativamente da regulação de tensão, por meio do controle de
injeção, absorção e fluxo de potência reativa, esses equipamentos receberam uma atenção
excepcional. Para analisar a condição de colapso de tensão, os sistemas de potência são
estressados com aumentos graduais em geração e demanda. A ferramenta de fluxo de
potência continuado é, portanto, aplicada, considerando as características de limite e
saturação dos equipamentos em estudo. De um ponto de vista geral, o colapso de tensão
é considerado como um ponto de carga máxima do sistema de potência, no limiar da
estabilidade de tensão. Do ponto de vista matemático, porém, o colapso de tensão é
caracterizado como um ponto onde ocorre uma bifurcação. Como o fluxo de potência
resolve um sistema de equações não lineares, e o fluxo de potência contínuo determina
uma sequência de soluções de equações não lineares, as bifurcações podem estar presentes
em análises e simulações de fluxo de potência. Assim, vários tipos de bifurcações podem
ser observados, sendo caracterizadas por diferentes condições matemáticas. A utilização
da função sigmoide na modelagem de equipamentos de controle propõe uma nova condição
de estabilidade de tensão para sistemas elétricos. As bifurcações encontradas dentro
do sistema, que antes poderiam ter características diferentes, agora têm uma mesma
característica comum. Esta condição se traduz como uma vantagem para a estabilidade
de tensão dos sistemas elétricos de potência em termos de facilidade na identificação de
cenários críticos, responsáveis por admitir o colapso. Todas as proposições foram testadas
por meio de várias simulações em diferentes sistemas-teste. Um programa em Python foi
desenvolvido e as simulações dos resultados foram validadas pela versão acadêmica do
software do CEPEL (Centro de Pesquisas em Energia Elétrica).