Modular Double-Cascade Converter

Medium-voltage motor drives extend the power rating of AC motor drives in industrial applications. Multilevel converters are gaining an ever-stronger foothold in this field. This doctoral dissertation introduces a new topology to the family of modular multilevel converters: the modular double-cascade converter. The modularity of the converter is enabled by the application of multiwinding mediumfrequency isolation transformers. Owing to the innovative transformer link, the converter presents many advantageous properties at a concept level: modularity, high input and output power quality, small footprint, and wide variety of applications, among others. Further, the research demonstrates that the transformer link also plays a key role in the disadvantages of the topology. An extensive simulation study on the new converter is performed. The focus of the simulation study is on the development of control algorithms and the feasibility of the topology. In particular, the circuit and control concepts used in the grid interface, the coupling configurations of the load inverter, and the transformer link operation are thoroughly investigated. Experimental results provide proof-of-concept results on the operation principle of the converter. This work concludes a research collaboration project on multilevel converters between LUT and Vacon Plc. The project was active from 2009 until 2014.

First-principles study on electronic and structural properties of Cu(In/Ga)Se alloys for solar cells

Thin-film photovoltaic solar cells based on the Cu(In1−xGax)Se2 (CIGS) alloys have attracted more and more attention due to their large optical absorption coefficient, long term stability, low cost, and high efficiency. Modern theoretical studies of this material with first-principles calculations can provide accurate description of the electronic structure and yield results in close agreement with experimental values, but takes a large amount of calculation time. In this work, we use first-principles calculations based on the computationally affordable meta- generalized gradient approximation of the density-functional theory to investigate electronic and structural properties of the CIGS alloys. We report on the simulation of the lattice parameters and band gaps, as a function of chemical composition. The obtained results were found to be in a good agreement with the available experimental data.

Large scale solar power plant flat roof and carport installation in Finland

This work focuses on the 159.5 kW solar photovoltaic power plant project installed at the Lappeenranta University of Technology in 2013 as an example of what a solar plant project could be in Finland. The project consists of a two row carport and a flat roof installation on the roof of the university laboratories. The purpose of this project is not only its obvious energy savings potential but also to serve as research and teaching laboratory tool. By 2013, there were not many large scale solar power plants in Finland. For this reason, the installation and data experience from the solar power plant at LUT has brought valuable information for similar projects in northern countries. This work includes a first part for the design and acquisition of the project to continue explaining about the components and their installation. At the end, energy produced by this solar power plant is studied and calculated to find out some relevant economical results. For this, the radiation arriving to southern Finland, the losses of the system in cold weather and the impact of snow among other aspects are taken into account.

Invoice process analysis and development. Case: Power and automation technology company

This master’s thesis studies the case company’s current purchase invoice process and the challenges that are related to it. Like most of other master’s thesis this study consists of both theoretical- and empirical parts. The purpose of this work is to combine theoretical and empirical parts together so that the theoretical part brings value to the empirical case study. The case company’s main business is frequency converters for both low voltage AC & DC drives and medium voltage AC Drives which are used across all industries and applications. The main focus of this study is on the current invoice process modelling. When modelling the existing process with discipline and care, current challenges can be understood better. Empirical study relays heavily on interviews and existing, yet fragmented, data. This, along with own calculations and analysis, creates the foundation for the empirical part of this master’s thesis.

Electromagnetic and thermal design of a multilevel converter with high power density and reliability

Electric energy demand has been growing constantly as the global population increases. To avoid electric energy shortage, renewable energy sources and energy conservation are emphasized all over the world. The role of power electronics in energy saving and development of renewable energy systems is significant. Power electronics is applied in wind, solar, fuel cell, and micro turbine energy systems for the energy conversion and control. The use of power electronics introduces an energy saving potential in such applications as motors, lighting, home appliances, and consumer electronics. Despite the advantages of power converters, their penetration into the market requires that they have a set of characteristics such as high reliability and power density, cost effectiveness, and low weight, which are dictated by the emerging applications. In association with the increasing requirements, the design of the power converter is becoming more complicated, and thus, a multidisciplinary approach to the modelling of the converter is required. In this doctoral dissertation, methods and models are developed for the design of a multilevel power converter and the analysis of the related electromagnetic, thermal, and reliability issues. The focus is on the design of the main circuit. The electromagnetic model of the laminated busbar system and the IGBT modules is established with the aim of minimizing the stray inductance of the commutation loops that degrade the converter power capability. The circular busbar system is proposed to achieve equal current sharing among parallel-connected devices and implemented in the non-destructive test set-up. In addition to the electromagnetic model, a thermal model of the laminated busbar system is developed based on a lumped parameter thermal model. The temperature and temperature-dependent power losses of the busbars are estimated by the proposed algorithm. The Joule losses produced by non-sinusoidal currents flowing through the busbars in the converter are estimated taking into account the skin and proximity effects, which have a strong influence on the AC resistance of the busbars. The lifetime estimation algorithm was implemented to investigate the influence of the cooling solution on the reliability of the IGBT modules. As efficient cooling solutions have a low thermal inertia, they cause excessive temperature cycling of the IGBTs. Thus, a reliability analysis is required when selecting the cooling solutions for a particular application. The control of the cooling solution based on the use of a heat flux sensor is proposed to reduce the amplitude of the temperature cycles. The developed methods and models are verified experimentally by a laboratory prototype.

Aurinkosähkön taloudellinen kannattavuus erikoiskohteessa

Aurinkosähköjärjestelmät ovat yleistyneet viime vuosien aikana niin kotitalouksissa kuin julkisissa rakennuksissakin aurinkopaneeleiden suopean hintakehityksen myötä. Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan aurinkosähköjärjestelmän kannattavuutta erikoiskohteessa Lapissa Tervolan kunnan alueella sijaitsevalla huoltoasemalla. Työssä aurinkosähköntuotannon ajoittumista kulutuksen suhteen lähdetään selvittämään vertailemalla simuloinnin avulla saatuja tuotantoennusteita huoltoaseman sähkönkulutusprofiiliin. Sähkönkulutusprofiilin tiedot perustuvat etäluettavan mittarin tuntikulutus mittauksiin. Investoinnin kannattavuutta tarkastellaan takaisinmaksuajan mukaan simuloinnista saatujen tuotantoennusteiden ja muiden takaisinmaksuaikaan vaikuttavien parametrien avulla. Lopuksi takaisinmaksuaikaa tarkastellaan vielä herkkyysanalyysien avulla.

Converter-Fed Induction Motor Losses: Determination With IEC Methods

Energy efficiency is an important topic when considering electric motor drives market. Although more efficient electric motor types are available, the induction motor remains as the most common industrial motor type. IEC methods for determining losses and efficiency of converter-fed induction motors were introduced recently with the release of technical specification IEC/TS 60034-2-3. Determining the induction motor losses with IEC/TS 60034-2-3 method 2-3-A and assessing the practical applicability of the method are the main interests of this study. The method 2-3-A introduces a specific test converter waveform to be used in the measurements. Differences between the induction motor losses with a test converter supply, and with a DTC converter supply are investigated. In the IEC methods, the tests are run at motor rated fundamental voltage, which, in practice, requires the frequency converter to be fed with a risen input voltage. In this study, the tests are run on both frequency converters with artificially risen converter input voltage, resulting in rated motor fundamental input voltage as required by IEC. For comparison, the tests are run with both converters on normal grid input voltage supply, which results in lower motor fundamental voltage and reduced flux level, but should be more relevant from practical point of view. According to IEC method 2-3-A, tests are run at rated motor load, and to ensure comparability of the results, the rated load is used in the grid-fed converter measurements, although motor is overloaded while producing the rated torque at reduced flux level. The IEC 2-3-A method requires also sinusoidal supply test results with IEC method 2-1-1B. Therefore, the induction motor losses with the recently updated IEC 60034-2-1 method 2-1-1B are determined at the motor rated voltage, but also at two lower motor voltages, which are according to the output fundamental voltages of the two network-supplied converters. The method 2-3-A was found to be complex to apply but the results were stable. According to the results, the method 2-3-A and the test converter supply are usable for comparing losses and efficiency of different induction motors at the operating point of rated voltage, rated frequency and rated load, but the measurements do not give any prediction of the motor losses at final application. One might therefore strongly criticize the method’s main principles. It seems, that the release of IEC 60034-2-3 as a technical specification instead of a final standard for now was justified, since the practical relevance of the main method is questionable.

Energy Management System for LVDC Island Networks

Recent developments in power electronics technology have made it possible to develop competitive and reliable low-voltage DC (LVDC) distribution networks. Further, islanded microgrids—isolated small-scale localized distribution networks— have been proposed to reliably supply power using distributed generations. However, islanded operations face many issues such as power quality, voltage regulation, network stability, and protection. In this thesis, an energy management system (EMS) that ensures efficient energy and power balancing and voltage regulation has been proposed for an LVDC island network utilizing solar panels for electricity production and lead-acid batteries for energy storage. The EMS uses the master/slave method with robust communication infrastructure to control the production, storage, and loads. The logical basis for the EMS operations has been established by proposing functionalities of the network components as well as by defining appropriate operation modes that encompass all situations. During loss-of-powersupply periods, load prioritizations and disconnections are employed to maintain the power supply to at least some loads. The proposed EMS ensures optimal energy balance in the network. A sizing method based on discrete-event simulations has also been proposed to obtain reliable capacities of the photovoltaic array and battery. In addition, an algorithm to determine the number of hours of electric power supply that can be guaranteed to the customers at any given location has been developed. The successful performances of all the proposed algorithms have been demonstrated by simulations.

Electrical Safety of Island Operated Low Voltage DC Network

Today, renewable energy technologies and modern power electronics have made it feasible to implement low voltage direct current (LVDC) microgrids (MGs) ca-pable to island operation. Such LVDC networks are particularly useful in remote areas. However, there are still pending issues in island operated LVDC MGs like electrical safety and controlled operation, which should be addressed before wide-scale implementation. This thesis is focused on the overall protection of an island operated LVDC network concept, including protection against electrical shocks, mains equipment protection and protection of photovoltaic (PV) power sources and battery energy storage systems (BESSs). The topic is approached through ex-amination of the safety hazards and the appropriate methods to protect against them, comprising considerations for earthing system selection and realisation of the protection system.

Lämminvesivaraajan ohjaus automaatiolla aurinkosähköä tuottavassa kotitaloudessa

Hajautettu sähköntuotanto aurinkopaneeleilla on Suomessa kasvussa. Kotitalouksiin asennettujen aurinkopaneelijärjestelmien määrä kasvaa jatkuvasti, mutta suuri osa tuotetusta sähköenergiasta syötetään sähköverkkoon. Tämä johtuu aurinkosähkön tuotannon painottumisesta kesäpäiviin, jolloin kotitalouksien kulutus on pienimmillään. Suurin hyöty itse tuotetusta energiasta saadaan kuitenkin käyttämällä se tuotantokohteessa, jolla minimoidaan energiansiirto sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa. Siirtämällä kotitalouden suurimpia kuormia aurinkosähkön mukaan ohjatuksi, voidaan saavuttaa merkittäviä parannuksia tuotetun sähkön omakäyttöasteessa. Helpoimmillaan tämä onnistuu kellokytkimellä, joka ajoittaa kulutuksen parhaimman tuotannon ajalle. Tämä ei kuitenkaan poista ongelmaa tilanteissa, jossa aurinkosähkön tuotanto on häiriintynyt esimerkiksi pilvisyyden takia aamupäivällä ja huipputuotanto saavutetaan vasta iltapäivän puolella. Saatavilla on jo useita järjestelmiä, jotka ohjaavat kodin laitteita tuotannon mukaisesti. Suuri osa näistä järjestelmistä on kuitenkin suunniteltu toimimaan vain tuotetun energiamäärän mukaisesti, ottamatta huomioon kotitaloudessa olevaa muuta, automaation piiriin kuulumatonta kulutusta. Tässä kandidaatin työssä vertaillaan sähköenergian eri mittaustapoja ja niiden vaikutusta siirretyn energian laskennalliseen määrään. Lisäksi työssä tutkitaan lämminvesivaraajan kuormanohjausta käyttäen termostaatti-, kellokytkin- ja logiikkaohjausta. Työssä esitelty logiikkaohjaus hyödyntää siirretyn energian mittausta sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa, ottaen automaattisesti huomioon myös talouden muun kulutuksen. Työssä esitellään myös esimerkkilaitteisto, jolla suunniteltu logiikka voidaan toteuttaa.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

On site measurements of DC link electrolytic capacitor bank of frequency converter using constant DC magnetization of the motor

Preventive maintenance of frequency converters has been based on pre-planned replace-ment of wearing or ageing components. Exchange intervals follow component life-time expectations which are based on empirical knowledge or schedules defined by manufac-turer. However, the lifetime of a component can vary significantly, because drives are used in very different operating environments and applications. The main objective of the research was to provide information on methods, i.e. how in-verter's operating condition can be measured reliably under field conditions. At first, the research focused on critical components such as current transducers, IGBTs and DC link capacitor bank, because these aging have already been identified. Of these, the DC link capacitor measurement method was selected for closer examination. With this method, the total capacitance and its total series resistance can be measured. The suitability of the measuring procedure was estimated on the basis of practical measurements. The research was made by using so called triangulation method, including a literature review, simulations and practical measurements. Based on the results, the new measu-rement method seems suitable with some reservations to practical measurements. How-ever, the measuring method should be further developed in order to improve its reliability.

Rakennukseen integroitavien aurinkosähköjärjestelmien soveltuvuus pohjoismaisiin olosuhteisiin

Tässä työssä esitellään aurinkosähköjärjestelmien rakenne, toiminta ja niille sopivia käyttökohteita. Työn tavoitteena on arvioida teknillistaloudellisesti rakennukseen integroitujen aurinkosähköjärjestelmien soveltuvuutta Pohjoismaisiin olosuhteisiin. Tekninen arviointi toteutetaan pohjautuen kirjallisuuteen, käytännön analysointiin ja simuloituihin tuloksiin. Taloudellinen arviointi sisältää lisäksi myös laskennallista analysointia. Aurinkosähköjärjestelmän toiminnan arvioinnissa päädyttiin hyödyntämään aiemmin aurinkosähköjärjestelmien suorituskyvystä julkaistuja materiaaleja. Käytössä olevien resurssien rajallisuus ei mahdollistanut tarpeeksi laajamittaisten suorituskykytestien toteuttamista. Teknisen arvioinnin perusteella saatiin selville merkittävimpien tekijöiden vaikutus rakennukseen integroitujen aurinkosähköjärjestelmien toimintaan. Teknillistaloudellisen arvioinnin perusteella julkisivumateriaalien korvaaminen aurinkopaneeleilla tulee harkita tapauskohtaisesti. Työ sisältää myös katsauksen olemassa olevista teknisistä ratkaisuista.

Keskikokoisen maatilan biokaasu- ja aurinkosähköratkaisujen kannattavuus Etelä-Savossa

Tässä kandidaatintyössä perehdytään biokaasun syntyprosessiin ja sen hyödyntämismahdollisuuksiin, sekä vertaillaan biokaasun tuotannon määrää Suomessa ja Saksassa. Työssä tarkastellaan biokaasuvoimalan kannattavuutta keskikokoisen maatilan yhteydessä Etelä-Savossa ja käydään läpi biokaasuvoimalalle Suomessa myönnettäviä tukimuotoja. Tukimuotojen lisäksi käydään läpi erilaisia lupia ja hyväksyntöjä, joita maatilan yhteyteen rakennettava biokaasu-voimalaitos tarvitsee. Työn toisessa osassa käydään läpi aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksia, aurinkosähköjärjestelmän komponentteja, sekä perehdytään aurinkopaneelin toimintaperiaatteeseen. Tarkastellaan biokaasuvoimalan lisäksi myös aurinkovoimalan kannattavuutta maatilan yhteydessä ja vertaillaan biokaasu- ja aurinkovoimalan ominaisuuksia keskenään. Lisäksi vertaillaan aurinkosähkön tuotantoa Suomessa ja Saksassa. Työn tavoitteena on selvittää biokaasu- ja aurinkosähkövoimalan kannattavuus esimerkkimaatilalla. Biokaasulaitoksen hinta-arvio saatiin vastauksena tarjouspyyntöön ja aurinkosähköjärjestelmän hinta arvioitiin kotimaisten toimittajien aurinkosähköpakettien hintojen avulla. Biokaasuvoimalan sähköntuottoennuste sekä huolto- ja käyttökustannukset perustuvat kirjallisuudesta saatuihin arvoihin. Aurinkovoimalan sähköntuottoennuste ja paneelien suuntauksen vaikutusta tuotantoon laskettiin PVGIS:n laskurilla sekä HOMER-ohjelmistolla. Kannattavuuslaskelmien perusteella kumpikaan voimalaitostyyppi ei tutkituilla voimalaitosten suuruuksilla ole kannattava 20 tai edes 30 vuoden pitoajalla esimerkkimaatilalla nykyisellä sähkönhinnalla ja tukitasolla. Aurinkosähköjärjestelmälle saadaan kuitenkin 20 vuoden takaisinmaksuaika, jos se hankitaan ilman lainarahaa. Tällöin voidaan ajatella, että laitos on kannattava. Biokaasulaitoksen kannattavuutta parantaisivat tukien ja sähkön hinnan nousun ohella kaasun ja lämmön myyntimahdollisuudet, joita esimerkkimaatilalla ei ole. Aurinkovoimalan kannattavuutta parantaisivat puolestaan tukien ja korkeamman sähkön hinnan lisäksi paremmin paneelien tuotantoa seuraava kulutus, jolloin pienempi osuus sähköstä päätyisi myyntiin.