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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/43465
Tipo: Tese
Título: Improving rational modeling realization for accurate EMT simulations
Autor(es): Kida, Alexandre Akira
Primeiro Orientador: Moreira, Fernando Augusto
Segundo Orientador: Lima, Antonio Carlos Siqueira de
metadata.dc.contributor.referee1: Costa, Fabiano Fragoso
metadata.dc.contributor.referee2: Santos, Tito Luís Maia
metadata.dc.contributor.referee3: De Conti, Alberto Resende
metadata.dc.contributor.referee4: Neves, Washington Luiz Araújo
metadata.dc.contributor.referee5: Moreira, Fernando Augusto
Resumo: Simulações no domínio do tempo com métodos de integração linear multipasso, como o trapezoidal, estão sujeitas a um erro frequentemente negligenciado em análises de transitórios eletromagnéticos (EMT) conhecido como distorção em frequência ou frequency warping. Esta tese estabelece tal erro como um problema fundamental que compromete a acurácia das simulações EMT, exigindo abordagens específicas para sua mitigação. Inicialmente, investigou-se como o frequency warping se manifesta no método combinado nodal e espaço de estados, evidenciando que pequenos erros de frequency warping podem se acumular ao longo do tempo, gerando distorções significativas mesmo com passos de tempo conservadores. Em seguida, explorou-se a modelagem de equivalentes dependentes de frequência por funções racionais, introduzindo o Complex Vector Fitting (CVF) no contexto de sistemas de potência. O CVF reduziu a raiz do erro quadrático médio (RMSE) em até oito ordens de magnitude em relação ao Vector Fitting tradicional, ao relaxar a restrição de conjugado complexo nos polos e resíduos do modelo racional. Diferenças em relação à passividade dos modelos também foram observadas. Dois métodos foram propostos para reduzir o frequency warping sem alterar o tamanho do passo de tempo: o Pole- Residue Compensation (PRC), que ajusta polos e resíduos do modelo para compensar as perturbações numéricas nos autovalores discretizados; e o Frequency-shifted Pole-Residue Compensation (FPRC) que combina o PRC, o CVF e a translação em frequência. O PRC permitiu ampliar o passo de tempo em até 6,7 vezes sem perda de acurácia ou reduzir o RMSE em até 24 vezes. Graças ao baixo custo computacional e à natureza de pós-processamento, o PRC pode ser facilmente integrado a rotinas de simulação já existentes. O FPRC alcançou ganhos ainda maiores, com passos de tempo até 35 vezes maiores ou reduções do RMSE em até 901 vezes. Os resultados foram validados através de simulações computacionais típicas de estudos EMT: linhas de transmissão, transformadores de potência, rede de distribuição e sistema de transmissão de energia elétrica. Os métodos desenvolvidos nesta tese superam limitações das simulações EMT, oferecendo flexibilidade para aumentar a acurácia ou reduzir significativamente o custo computacional, viabilizando análises mais confiáveis de sistemas elétricos em larga escala.
Abstract: Time-domain simulations carried out with linear multistep integration methods, such as the Trapezoidal Rule, are subject to an error often neglected in electromagnetic transient (EMT) analyses, known as Frequency Warping. This thesis establishes the frequency warping as a fundamental problem that compromises the accuracy of EMT simulations, requiring specific approaches for its mitigation. Initially, the manifestation of frequency warping in the combined nodal and state-space method was investigated, demonstrating that small errors due to frequency warping can accumulate over time, generating significant distortions even with conservative time-step sizes. Subsequently, the modeling of frequency-dependent equivalents through rational functions was explored, introducing Complex Vector Fitting (CVF) in the context of power systems. The CVF methodology significantly improved accuracy, reducing the Root Mean Square Error (RMSE) by up to eight orders of magnitude compared to the conventional Vector Fitting approach, by relaxing the complex conjugate constraint on model poles and residues. Differences regarding model passivity were also observed. Two techniques were developed to reduce frequency warping without reducing the time step size: Pole-Residue Compensation (PRC), which adjusts poles and residues of rational models to compensate for numerical perturbations in the discretized system eigenvalues; and Frequency-shifted Pole- Residue Compensation (FPRC), which utilizes CVF and adds frequency translation to the compensation. PRC enabled time steps 6.7 times larger without accuracy loss or, for the same step size, errors up to 24 times smaller in terms of RMSE. Due to the low computational cost and post-processing nature of the PRC, it can be easily integrated into existing simulation routines. FPRC achieved even greater gains: steps up to 35 times larger or RMSE reduction by a factor of up to 901 times. The results were validated through computer simulations of electrical networks, which included components such as transmission lines and power transformers, as well as equivalents of electric power distribution and transmission networks. The techniques developed in this thesis overcome limitations of conventional EMT simulations, offering flexibility to significantly increase accuracy or substantially reduce computational.
Palavras-chave: Análise de transitório eletromagnético
Frequência - distorção
Sistemas elétricos
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA
Idioma: eng
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: Universidade Federal da Bahia
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: Escola Politécnica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) 
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/43465
Data do documento: Set- 2
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