Aperfeiçoamento da representação de linhas de transmissão de energia elétrica por elementos discretos de circuitos: aplicação em estudos de transitórios eletromagnéticos

Abstract

Este trabajo presenta la mejora de modelos de parámetros discretos que son ampliamente utilizados en la representación de líneas de transmisión y el estudio de transitorios electromagnéticos. Los modelos mejorados se basan en el modelo en cascada de los circuitos PI, que se pueden representar con parámetros eléctricos constantes o variables con respecto a la frecuencia. Cuando el modelo se representa con parámetros constantes, las oscilaciones espurias están presentes en las simulaciones de transitorios electromagnéticos. Estas oscilaciones se caracterizan por picos erróneos en las respuestas transitorias que pueden dar lugar a interpretaciones incorrectas por parte de los usuarios. En este contexto, se emplea una representación de circuito PI modificada para reducir las oscilaciones espurias en las respuestas transitorias de manera satisfactoria. Este circuito modificado consiste en colocar una resistencia de amortiguamiento artificial en paralelo con la rama RL de cada tramo de un circuito PI clásico. Además, se propone una metodología de optimización para seleccionar adecuadamente la resistencia de amortiguamiento del circuito PI modificado para reducir las oscilaciones espurias para cualquier línea de transmisión sin distorsionar la respuesta transitoria. Cuando el modelo se representa con parámetros variables en relación con la frecuencia, se utilizan circuitos equivalentes R-L organizados en bloques dentro de cada sección del circuito PI clásico para reproducir la variación con la frecuencia en los parámetros longitudinales de la línea de transmisión. Una representación precisa del modelo en un rango de frecuencia específico depende de la cantidad de circuitos PI y la cantidad de elementos R-L que se utilizarán. Por lo tanto, se propone una metodología de optimización para seleccionar adecuadamente el número de circuitos PI y el número de elementos R-L que representan el modelo de línea de transmisión para un rango de frecuencia dado. Estos dos modelos mejorados se implementaron en los softwares Matlab/Simulink y ATP/ATPDraw, que ofrecen la posibilidad de añadir nuevos componentes a sus extensas bibliotecas de componentes eléctricos. Los modelos mejorados fueron validados a través de diferentes escenarios de simulación que involucran diferentes fenómenos transitorios. Estos softwares se utilizaron como referencia para validar los modelos propuestos en esta tesis. Los resultados muestran que las respuestas transitorias obtenidas con los modelos mejorados están en buen acuerdo con los modelos tradicionales utilizados en la representación de líneas de transmisión, siendo una alternativa para el estudio de transitorios electromagnéticos en sistemas eléctricos de potencia.

Este trabalho apresenta o aperfeiçoamento dos modelos a parâmetros discretos que são amplamente empregados na representação de linhas de transmissão e estudo dos transitórios eletromagnéticos. Os modelos aperfeiçoados são baseados no modelo da cascata de circuitos PI, que podem ser representados com os parâmetros elétricos constantes ou variáveis em relação à frequência. Quando o modelo é representado com os parâmetros constantes, oscilações espúrias estão presentes nas simulações de transitórios eletromagnéticos. Essas oscilações são caracterizadas por picos errôneos nas respostas transitórias que podem levar a interpretações incorretas pelos usuários. Nesse contexto, uma representação de circuito PI modificado é empregado para reduzir as oscilações espúrias nas respostas transitórias de modo satisfatório. Esse circuito modificado consiste em colocar uma resistência de amortecimento artificial em paralelo ao ramo RL de cada seção de circuito PI clássico. Adicionalmente, uma metodologia de otimização é proposta para selecionar apropriadamente a resistência de amortecimento do circuito PI modificado para reduzir as oscilações espúrias para qualquer linha de transmissão sem distorcer a resposta transitória. Quando o modelo é representado com os parâmetros variáveis em relação à frequência, empregam-se circuitos equivalentes R-L organizados em blocos dentro de cada seção de circuito PI clássico para reproduzir a variação com a frequência nos parâmetros longitudinais da linha de transmissão. Uma representação precisa do modelo em uma faixa de frequência especificada, depende do número de circuitos PI e do número de elementos R-L a serem usados. Portanto, uma metodologia de otimização é proposta para selecionar apropriadamente o número de circuitos PI e o número de elementos R-L que representaram o modelo da linha de transmissão para uma determinada faixa de frequência. Esses dois modelos aperfeiçoados foram implementados nos softwares Matlab/Simulink e ATP/ATPDraw nos quais oferecem a possibilidade de agregar novos componentes em suas amplas bibliotecas de componentes elétricos. Os modelos aperfeiçoados foram validados por meio de distintos cenários de simulação envolvendo diversos fenômenos transitórios. Esses softwares foram empregados como referência para a validação dos modelos propostos nesta tese. Os resultados mostram que as respostas transitórias obtidas com os modelos aperfeiçoados estão em boa concordância com os modelos tradicionais empregados na representação de linhas de transmissão, sendo uma alternativa para o estudo de transitórios eletromagnéticos em sistemas elétricos de energia.