Modelling of North-West Russian market behavior considering technical restrictions of transmission grid

Nowadays the Finnish-Russian electric energy interaction is carried out through the back-to-back DC Vyborg substation and several power plants working synchronously with Finnish power system. Constant amount of energy flows in one direction — from Russia to Finland. But the process of electricity market development in Russian energy system makes the new possibilities of electrical cooperation available. The goal of master's thesis is to analyze the current state and possible evolution trends of North-West Russian system in relation with future possible change in power flow between Russia and Finland. The research is done by modelling the market of North-West Russia and examination of technical grid restrictions. The operational market models of North-West region of Russia for the years 2008 and 2015 were created during the research process. The description of prepared market models together with modelling results and their analysis are shown in the work. The description of power flow study process and results are also presented.

Automatic meter reading – benefits and applications

In liberalized electricity markets, which have taken place in many countries over the world, the electricity distribution companies operate in the competitive conditions. Therefore, accurate information about the customers’ energy consumption plays an essential role for the budget keeping of the distribution company and for correct planning and operation of the distribution network. This master’s thesis is focused on the description of the possible benefits for the electric utilities and residential customers from the automatic meter reading system usage. Major benefits of the AMR, illustrated in the thesis, are distribution network management, power quality monitoring, load modelling, and detection of the illegal usage of the electricity. By the example of the power system state estimation, it was illustrated that even the partial installation of the AMR in the customer side leads to more accurate data about the voltage and power levels in the whole network. The thesis also contains the description of the present situation of the AMR integration in Russia.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Prognosis of after spot volumes at the Scandinavian electricity market

The Thesis is dedicated to development of an operative tool to support decision making in after spot trading on the Nordic electricity market. The basics of the Nordic electricity market, trading mechanisms on the spot and after spot markets are presented in the Thesis. Mathematical equations that describe electricity balance condition in the power system are offered. The main driving factors that impact deviation of actual electricity balance from the scheduled one (object) in the power system have been explored and mathematically defined. The behavioral model of the object and principal trends in change of state of the object under an impact of the driving factors are determined with the help of regression analysis made in Microsoft Office Excel. The behavioral model gives an indication for the total regulation volume (Elbas trades volume, volume of regulation market, balance power) for a certain hour that serves as the base input in estimating prices on the after spot markets. Proposals for development of methodologies of forecasting the after spot electricity prices are offered.

Tulospalkkaus käytännössä - ansaittu etu vai toiminnan ohjaaja

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää tulospalkkiojärjestelmän vaikutuksia käytännössä. Päätutkimusongelmat olivat: toimiiko tulospalkkiojärjestelmä toivotulla tavalla ja jos ei toimi, niin miten sitä tulisi kehittää? Vastausten saamiseksi kerättiin empiiristä aineistoa suomalaisesta hotelli- ja ravintola-alan yrityksestä. Aineisto kerättiin www-kyselynä Internetin kautta. Kyselyssä selvitettiin mielipiteitä myös avoimin kommentein. Teorian mukaan hyvin toimiva tulospalkkiojärjestelmä voi tukea merkittävästi yrityksen strategisten tavoitteiden saavuttamista. Toisaalta huonosti suunniteltu ja strategian kanssa ristiriidassa oleva järjestelmä voi toimia tavoitteiden vastaisesti. Tulospalkkiojärjestelmän rakenne, kehittämistapa, yhteensopivuus strategian kanssa sekä ennen kaikkea työntekijöiden tietämys järjestelmästä vaikuttavat tulospalkkiojärjestelmän merkitykseen työntekijöille. Tulospalkkiojärjestelmä vaikuttaa yksilön toimintaan merkityksensä kautta. Tutkimuksen teoreettisena viitekehyksenä käytettiin TKK:n tulospalkkiojärjestelmän toimivuusmallia. Mallin avulla arvioitiin tulospalkkiojärjestelmän vaikutuksia tavoitteisiin, toimintaan, yhteistyöhän ja ilmapiiriin sekä työasenteisiin. Lisäksi arvioitiin järjestelmän toimivuutta järjestelmän tarkoituksen, rakenteen sekä esimiestyön kannalta. Tutkimustulokset osoittavat arvioidun järjestelmän toimivan pääosin hyvin ja sillä on merkitystä työntekijöille. Järjestelmä tunnetaan hyvin ja sillä on myös rahallista merkitystä. Toteutuneiden tulospalkkioiden määrä ei kuitenkaan näytä olevan riittävän suuri motivoidakseen sellaisenaan. Teorian ja tutkimustulosten perusteella esitettiin ehdotuksia tulospalkkiojärjestelmän kehittämiseksi. Tulospalkkiojärjestelmää tulisi kehittää yksinkertaisemmaksi, jotta sillä olisi enemmän toivottuja vaikutuksia.

Tasehallinnan kehittäminen Suomen sähkömarkkinoilla

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia tasehallinnan kehittämismahdollisuuksia Suomessa järjestelmävastaavan näkökulmasta. Sähköjärjestelmässä tulee vallita jatkuvasti tasapaino tuotannon ja kulutuksen välillä, tämän järjestelmävastaavan vastuulla olevan tasapainon ylläpitoa kutsutaan tehotasapainon hallinnaksi. Työssä pääasiasiallinen huomio oli markkinalähtöisessä tehotasapainon hallinnan kehittämisessä. Tuotantosuunnitelmat ovat ratkaisevassa osassa sähköjärjestelmän muutoksia ennustettaessa ja suunniteltaessa. Pääasiassa tutkimus kohdistuu tuotantosuunnitelmien tarkentamisen mahdollisuuksien analysointiin sekä tarkentamisesta aiheutuvien muutosten selvittämiseen. Työn yhteydessä toteutettiin sopivalla otannalla kyselytutkimus, jonka oli tarkoitus antaa tietoa Eurooppalaisista käytännöistä asian suhteen. Tutkimusten pohjalta päädyttiin malliin, jossa tuotantosuunnitelmien jaksonpituutta lyhennettäisiin nykyisestä 60 minuutista 15 minuuttiin. 15 minuutin jaksonpituus ulottuisi koko tuotantotaseen käsittelyyn, mukaan lukien säätösähkömarkkinat ja muut tehokaupat.

Aurinkopaneeleihin liitettävien vaihtosuuntaajien testaussuunnitelman laadinta ja toteutus

Aurinkoenergia on yksi monista uusiutuvan energian muodoista, joiden suosio on viimeisten vuosien aikana kasvanut fossiilisten polttoaineiden kallistumisen sekä ilmaston lämpenemisen vuoksi. Auringon säteilyn energiaa voidaan muuttaa sähköenergiaksi mm. aurinkopaneeleiden avulla. Aurinkopaneeleihin liitetään usein vaihtosuuntaaja, jolla tuotettu teho voidaan muokata sähköverkkoon tai kotitalouden sähköjärjestelmään sopivaksi. Tässä työssä on esitelty aurinkopaneelilla tuotettavan sähköenergian perusperiaatteet sekä tehoa tuottavan järjestelmän reunaehdot. Tutkimuksessa on perehdytty keskeisiin, aurinkopaneeleihin liitettäville vaihtosuuntaajille laadittuihin standardeihin, hyötysuhteen mittaamisen sekä sähkön laadun näkökulmista. Selvityksen avulla järjestelmän hyötysuhteen sekä lähtötehon laadun määrittämiseksi voidaan laatia standardien mukainen mittaussuunnitelma vaihtosuuntaajan nimellistehosta riippumatta. Standardien avulla on laadittu mittaussuunnitelma Global Inversonne, 100 kW - verkkovaihtosuuntaajayksikölle. Suunnitelman mukaisissa mittauksissa on tutkittu yksikön muunnoshyötysuhdetta sekä lähtöjännitteen- ja virran laatua. Lisäksi työssä on analysoitu mittaustulosten mittausepävarmuuksia ja niitä aiheuttavia tekijöitä.

Taselaskentajärjestelmän kehittäminen pohjoismaisille sähkömarkkinoille

Pohjoismaisia sähkömarkkinoita ollaan avaamassa myös vähittäismarkkinoiden osalta. Jotta vähittäismarkkinoista saataisiin toimiva, kaikille avoin ja tasapuolinen kauppapaikka, on markkinamenetelmiä yhtenäistettävä. Yhtenäistäminen tarkoittaa muutoksia ennen kaikkea taseselvityksessä ja viestiformaateissa. Tämä tarkoittaa lisätyötä eri markkinaosapuolille ja heidän järjestelmätoimittajilleen. Tässä työssä tutkittiin näköpiirissä olevien muutosten vaikutuksia järjestelmätoimittajan valmiiseen jakeluverkonhaltijoille suunnattuun tietojärjestelmätuotteeseen. Tavoitteena oli selvittää, mitä muutoksia markkinoille on tulossa lähivuosina, tutkia mitkä niiden tuomat vaatimukset ovat tuotteelle ja minkälaisia muutoksia tuotteeseen nämä markkinamuutokset aiheuttavat. Tutkimuksen pohjalta pystyttiin arvioimaan vaadittavat toimenpiteet ja markkinoilla tapahtuvien muutosten vakavuus kohteena olevalle tietojärjestelmälle. Tutkimuksen sivutuotteena havaittiin myös muita kehityskohteita, jotka toisivat tuotteelle lisäarvoa.

Techno-Economic Feasibility of Novel On-Line Condition Monitoring Methods in Low Voltage Distribution Networks

The focus in this thesis is to study both technical and economical possibilities of novel on-line condition monitoring techniques in underground low voltage distribution cable networks. This thesis consists of literature study about fault progression mechanisms in modern low voltage cables, laboratory measurements to determine the base and restrictions of novel on-line condition monitoring methods, and economic evaluation, based on fault statistics and information gathered from Finnish distribution system operators. This thesis is closely related to master’s thesis “Channel Estimation and On-line Diagnosis of LV Distribution Cabling”, which focuses more on the actual condition monitoring methods and signal theory behind them.

Reaaliaikaisen PMU-mittaustiedon hyödyntäminen voimajärjestelmän valvonnassa

Tämä työ on tehty Fingrid Oyj:lle. Työn tavoitteena oli tutkia, miten reaaliaikaista PMU-mittaustietoa voidaan hyödyntää voimajärjestelmän valvonnassa. Voimajärjestelmän dynaamisia ilmiöitä ovat jännite- ja kulmastabiilius. Työssä tutkittiin voimajärjestelmän kulmastabiiliutta PSS/E-ohjelmalla simuloitujen mittaustulosten perusteella. Fouriermuunnoksen tulokset osoittavat, että huonoiten vaimeneva taajuuskomponentti on 0,3 Hz taajuus. Lisäksi tiedetään, että huonosti vaimeneva taajuuskomponentti rajoittaa siirtokapasiteettia. Voimajärjestelmän stabiiliutta voidaan esittää Wide Area Monitoring -järjestelmien (WAMS) avulla. WAMS perustuu Phasor Measurement -laitteen (PMU) reaaliaikaiseen mittaustekniikkaan. Jännitteen vaihekulman mittaaminen mahdollistaa voimajärjestelmän tilan määrittämisen reaaliajassa. Työssä on esitelty Fingridin käytössä oleva WAMS ja lisäksi esitelty kolmen eri laitetoimittajan WAMS:n rakennetta ja operaattorin käyttöön tarkoitettuja käyttöliittymiä. WAMS:n rakenteet ovat pääpiirteittäin samanlaisia, mutta stabiiliuden visuaalisessa esittämisessä on eroja. PMU -mittaustietoja on mahdollista tuoda käytönvalvontajärjestelmään erillisellä tiedonsiirtoprotokollalla. PMU-mittaustiedon hyödyntäminen käytönvalvontajärjestelmän toimintaaluenäytöllä mahdollistaa verkon tilan esittämisen reaaliajassa. Roottorin kulmastabiilius esitetään Fingridin käytönvalvontajärjestelmässä vaihekulmaerojen avulla ja työssä on esitetty, kuinka vaihekulmaeron arvolla on vaikutus tehonsiirtoon. Vaihekulmaeron arvo kuvaa vian jälkeisen tehoheilahtelun voimakkuutta. PMU-mittaustiedon esittäminen antaa operaattorille selkeämmän kuvan ylläpitää tehonsiirto turvallisella tasolla ja epästabiilin heilahtelun havainnoiminen vähentää suurhäiriön riskiä. Tulevaisuudessa siirtoverkon kehittyessä tarvitaan operaattorin käyttöön myös nopeita stabiilisuutta esittäviä työkaluja.

Aging based maintenance and reinvestment scheduling of electric distribution

The maintenance of electric distribution network is a topical question for distribution system operators because of increasing significance of failure costs. In this dissertation the maintenance practices of the distribution system operators are analyzed and a theory for scheduling maintenance activities and reinvestment of distribution components is created. The scheduling is based on the deterioration of components and the increasing failure rates due to aging. The dynamic programming algorithm is used as a solving method to maintenance problem which is caused by the increasing failure rates of the network. The other impacts of network maintenance like environmental and regulation reasons are not included to the scope of this thesis. Further the tree trimming of the corridors and the major disturbance of the network are not included to the problem optimized in this thesis. For optimizing, four dynamic programming models are presented and the models are tested. Programming is made in VBA-language to the computer. For testing two different kinds of test networks are used. Because electric distribution system operators want to operate with bigger component groups, optimal timing for component groups is also analyzed. A maintenance software package is created to apply the presented theories in practice. An overview of the program is presented.

Active inverter output filtering methods

Frequency converters are widely used in the industry to enable better controllability and efficiency of variable speed AC motor drives. Despite these advantages, certain challenges concerning the inverter and motor interfacing have been present for decades. As insulated gate bipolar transistors entered the market, the inverter output voltage transition rate significantly increased compared with their predecessors. Inverters operate based on pulse width modulation of the output voltage, and the steep voltage edge fed by the inverter produces a motor terminal overvoltage. The overvoltage causes extra stress to the motor insulation, which may lead to a prematuremotor failure. The overvoltage is not generated by the inverter alone, but also by the sum effect of the motor cable length and the impedance mismatch between the cable and the motor. Many solutions have been shown to limit the overvoltage, and the mainstream products focus on passive filters. This doctoral thesis studies an alternative methodology for motor overvoltage reduction. The focus is on minimization of the passive filter dimensions, physical and electrical, or better yet, on operation without any filter. This is achieved by additional inverter control and modulation. The studied methods are implemented on different inverter topologies, varying in nominal voltage and current.For two-level inverters, the studied method is termed active du/dt. It consists of a small output LC filter, which is controlled by an independent modulator. The overvoltage is limited by a reduced voltage transition rate. For multilevel inverters, an overvoltage mitigation method operating without a passive filter, called edge modulation, is implemented. The method uses the capability of the inverter to produce two switching operations in the same direction to cancel the oscillating voltages of opposite phases. For parallel inverters, two methods are studied. They are both intended for two-level inverters, but the first uses individual motor cables from each inverter while the other topology applies output inductors. The overvoltage is reduced by interleaving the switching operations to produce a similar oscillation accumulation as with the edge modulation. The implementation of these methods is discussed in detail, and the necessary modifications to the control system of the inverter are presented. Each method is experimentally verified by operating industrial frequency converters with the modified control. All the methods are found feasible, and they provide sufficient overvoltage protection. The limitations and challenges brought about by the methods are discussed.

Tunninsisäinen tehotasapaino Suomessa 2020 ja 2030

Sähkön tuotannon ja kulutuksen välillä tulee vallita tasapaino joka hetki. Tunninsisäinen tehotasapainon hallinta on kantaverkkoyhtiön vastuulla, ja se tehdään säätöresurssein. Tässä työssä tarkastellaan tunninsisäistä tehotasapainon hallintaa Suomessa 2020-luvun alussa ja loppupuolella. Työn tarkoituksena on arvioida, riittävätkö nykytilanteen mukaiset säätöresurssit kattamaan tulevat säätötarpeet ja kuinka suuria säätövajeita, eli erotuksia markkinaehtoisen säätökyvyn ja säätötarpeen välillä, mahdollisesti esiintyy. Tehotasapainon hallintaa tarkastellaan tarkemmin kuudessa esimerkki-markkinatilanteessa. Tilanteet ajoittuvat tällä hetkellä tehotasapainon hallinnan kannalta hankaliin ajankohtiin, kevään tulva-ajalle, kesän lomakaudelle ja talven huippukuormitustilanteeseen. Tarkastelutilanteiden avulla pyritäänkin selvittämään hankalimmat tilanteet, joita tehotasapainon hallinnassa 2020-luvulla voidaan kohdata. Työn tarkastelutilanteiden perusteella säätövaje voi olla suurimmillaan 200 - 1100 MW Suomessa 2020-luvulla. Tämä työ vastaa myös siihen, mitä tulisi tehdä, jotta selvittäisiin tehotasapainon hallinnasta kaikissa tilanteissa tulevalla vuosikymmenellä.

The obstacles for cross-border transmission network investments in the Nordic electricity market: Case South-West link

The Nordic electricity market is often seen as an example of how to create a working, developed and integrated electricity market. Nevertheless, this thesis studies the obstacles of transmission network investments and the market integration challenges in the Nordic electricity market. The main focus is in the Nordic Transmission system operators (TSOs), which have a key role in grid development. This study introduces a case study of cancellation of South-West link, Western part, which was seen as essential grid investment in order to improve the Nordic electricity market functioning but ended up with cancellation in 2013. This study includes semi-structured theme interviews of the experts among Nordic electricity industry stakeholders. Despite the political will to create more equal prices for electricity in the Nordic market, the differing national regulation, mixed incentives created by bottleneck income and the focus moving from Nordic integration to European integration may create challenges to the Nordic electricity market integration in the future.

Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.