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

Abstract

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.

This work presents the improvement of lumped parameter models that are widely used in the representation of transmission lines to study the electromagnetic transients. The improved models are based on the cascaded π-circuits model, which can be represented by constant and/or frequency-dependent electrical parameters. When the model is represented by constant line parameters, spurious numerical oscillations are present in the electromagnetic transient responses. These oscillations are characterized by erroneous peaks in transient responses that can lead to incorrect interpretations by users. In this context, a modified representation in the cascaded π-circuits model is employed to reduce the spurious oscillations in the transient responses. This modified model consists of inserting an artificial damping resistor in parallel to the RL branch of each π-circuit section of the classic model. Additionally, an optimization methodology is proposed to properly select the damping resistances of the modified π-circuit model to reduce the spurious oscillations for any transmission line without distorting the transient responses. When the model is represented by frequency-dependent line parameters, an equivalent circuit composed by bloks of R-L elements are inserted in each π-section to reproduce this variation in the line parameters. An accurate representation of the model in a given frequency range depends on the number of π circuits and on the number of R-L elements to represent the line. Therefore, an optimization methodology is proposed to properly select the number of π-circuits and the number of R-L elements to represent the transmission line model. These two improved models have been implemented in the Matlab/Simulink and ATP software in which they offer the possibility to add new components to their electrical components libraries. The improved models were validated by different simulation scenarios involving different transient phenomena. These software were used as a reference for the validation of the models proposed in this thesis. The results show that the transient responses obtained with the improved models are in a good agreement with the classic models employed in the representation of transmission lines, being an alternative for the study of electromagnetic transients in power systems.