Integrating distributed generation and Smart Grids into single-family house

This study examines Smart Grids and distributed generation, which is connected to a single-family house. The distributed generation comprises small wind power plant and solar panels. The study is done from the consumer point of view and it is divided into two parts. The first part presents the theoretical part and the second part presents the research part. The theoretical part consists of the definition of distributed generation, wind power, solar energy and Smart Grids. The study examines what the Smart Grids will enable. New technology concerning Smart Grids is also examined. The research part introduces wind and sun conditions from two countries. The countries are Finland and Germany. According to the wind and sun conditions of these two countries, the annual electricity production from wind power plant and solar panels will be calculated. The costs of generating electricity from wind and solar energy are calculated from the results of annual electricity productions. The study will also deal with feed-in tariffs, which are supporting systems for renewable energy resources. It is examined in the study, if it is cost-effective for the consumers to use the produced electricity by themselves or sell it to the grid. Finally, figures for both countries are formed. The figures include the calculated cost of generating electricity from wind power plant and solar panels, retail and wholesale prices and feed-in tariffs. In Finland, it is not cost-effective to sell the produced electricity to the grid, before there are support systems. In Germany, it is cost-effective to sell the produced electricity from solar panels to the grid because of feed-in tariffs. On the other hand, in Germany it is cost-effective to produce electricity from wind to own use because the retail price is higher than the produced electricity from wind.

Sustainable Waste-to-Energy Production: Performance Evaluation of Distributed Generation fuelled by Landfill Gas

The environmental impact of landfill is a growing concern in waste management practices. Thus, assessing the effectiveness of the solutions implemented to alter the issue is of importance. The objectives of the study were to provide an insight of landfill advantages, and to consolidate landfill gas importance among others alternative fuels. Finally, a case study examining the performances of energy production from a land disposal at Ylivieska was carried out to ascertain the viability of waste to energy project. Both qualitative and quantitative methods were applied. The study was conducted in two parts; the first was the review of literatures focused on landfill gas developments. Specific considerations were the conception of mechanism governing the variability of gas production and the investigation of mathematical models often used in landfill gas modeling. Furthermore, the analysis of two main distributed generation technologies used to generate energy from landfill was carried out. The review of literature revealed a high influence of waste segregation and high level of moisture content for waste stabilization process. It was found that the enhancement in accuracy for forecasting gas rate generation can be done with both mathematical modeling and field test measurements. The result of the case study mainly indicated the close dependence of the power output with the landfill gas quality and the fuel inlet pressure.

Aktiivinen jännitteensäätö hajautetussa sähköntuotannossa

Hajautetun tuotannon määrä kasvaa jakeluverkossa tulevaisuudessa ja siksi jakeluverkon toiminta tulee muuttumaan aktiivisempaan suuntaan. Nykyisin tuotannon aiheuttamaa jännitteennousua rajoitetaan yleensä passiivisilla menetelmillä kuten vahvistamalla verkkoa. Tuotantolaitos ei tällöin osallistu jakeluverkon jännitteensäätöön. Tämä saattaa nostaa kapasiteetiltaan suurehkon tuotannon liittymiskustannukset niin korkeiksi, ettei tuotantolaitosta kannata rakentaa. Aktiivisella jännitteensäädöllä tuotantokapasiteettia voitaisiin merkittävästi kasvattaa nykyisissä jakeluverkoissa. Aktiivinen jännitteensäätö voi perustua joko paikalliseen säätöön, jolloin esim. tuotantolaitosta säädetään paikallisen jännitteen perusteella tai koordinoituun säätöön, jolloin verkon komponentteja säädetään kokonaisuutena. Työssä tutustutaan hajautettuun tuotantoon ja sen vaikutuksiin jakeluverkon jännitetasoissa sekä jännitteensäädössä. Työssä edetään passiivisesta jännitteensäädöstä aktiiviseen jännitteensäätöön. Aktiivisessa jännitteensäädössä tutustutaan muutamaan kirjallisuudessa esitettyyn algoritmiin ja käytännön toteutukseen. Työssä keskitytään vain verkon jännitetasoon, eikä muita jännitteen laadun ominaisuuksia oteta huomioon.

Pienvesivoimalanmallinnus ja jakeluverkkovaikutusten tarkastelu

Tässä työssä simuloitiin Valkealassa sijaitsevaa Tirvan pienvesivoimalaitosta ja sen vaikutusta sähkönjakeluverkkoon. Pienvesivoimalaitos mallinnettiin PSCAD-ympäristöön verkko- ja voimalaitostietojen perusteella. Sähköverkko kuvattiin malliin koko 110 kV:n siirtävän verkon ja Tirvan pienjänniteverkon väliltä. Mallin avulla tehtiin sarja hajautettua sähköntuotantoa koskevia tarkasteluita. Tarkasteluissa huomattiin voimalaitoksen verkkoonliitynnän aiheuttavan standardien ylärajoilla olevan transienttisen muutoksen voimalaitoksen jännitteisiin. Työssä tehtiin yksityiskohtaisempi jännitehäviöiden mittaus voimalaitoksen pullonkaulana toimivalle pienitehoiselle jakelumuuntajalle. Tuotannon lisäämisen yhteydessä näkyvän yllättävän jännitteen laskun syyt paikannettiin muuntajalla tapahtuviin loistehon siirrosta johtuviin ylimääräisiin jännitehäviöihin. Voimalaitoksella ei ole merkittävää vaikutusta vikatilanteiden virtoihin.

Pienvesivoiman elvytys, käyttöönotto ja kannattavuus

Uusiutuvan energian tuottamisen lisääminen on edellytys saavuttaaksemme EU:n asettamat tavoitteet. Tämän takia on syytä tutkia kaikki mahdollisuudet uusiutuvan energian tuottamisen lisäämiseksi jopa aivan pienimmistä laitoksista lähtien. Tämän työn tarkoituksena on tutkia pienvesivoiman taloudellisuutta ja kannattavuutta energiantuotannossa. Työssä suoritetaan myös kustannuslaskenta, jossa pohditaan käytöstä poistetun laitoksen palauttamista takaisin sähkön tuotantoon. Samalla käydään läpi teknisiä, taloudellisia ja lakisääteisiä kysymyksiä, joita pienvoiman verkkoonliittäminen aiheuttaa. Tämä työ on eräänlainen käsikirja pienvesivoimasta. Pienvesivoiman liittäminen jakeluverkkoon on sinällään suojausteknisesti yksinkertaista, mutta kaikkien eri taloudellisten ja lakiteknisten tekijöiden huomioonottaminen on puolestaan haastavaa. Laitosten käyttö ja kunnossapito eivät sinällään vaadi sähköteknistä osaamista, kunhan turvallisuusseikat otetaan visusti huomioon. Työssä havaittiin, että pienvesivoima ei pienissä laitoksissa riitä kattamaan suuria työvoimakustannuksia, joita syntyy, kun yritysten henkilökunta ottaa osaa laitoksen toimintaan. Toisaalta pienvesivoima on erinomainen tapa tuottaa sähköä yksityiselle ihmiselle, mikäli hän on itse valmis operoimaan laitosta eikä laske omalle työlleen suuria kustannuksia. Edellytyksenä on, että omalta maa‐alueelta löytyy pienikin puro suhteellisen läheltä jakeluverkkoa.

Tasajännitetason nosto polttokennosovelluksessa

Polttokennojen, erityisesti SOFC-kennojen, tutkimuksessa on viime vuosina saavutettu merkittäviä edistysaskelia ja mahdollisuudet kennojen laajamittaiseen hyödyntämiseen paranevat koko ajan. Polttokennojen yleistyessä tarvitaan tehoelektroniikkaa muokkaamaan kennojen tasajännite verkkoon sopivaksi vaihtojännitteeksi. Verkkovaihtosuuntaaja vaatii korkeamman jännitetason, kuin polttokennosta on saatavissa, joten tasajännitetasoa on ensin nostettava. Tässä diplomityössä esitellään kolme eri hakkuritopologiaa ja perehdytään kokosiltahakkurin optimointiin. Hakkurin pääasialliset häviölähteet olivat toision diodisilta ja transistorit. Diodien vaihtaminen piidiodeista piikarbididiodeihin ei parantanut hyötysuhdetta, koska toision jännite tarkastellussa sovelluksessa oli matala. Muuntajan käämiminen litz-johtimella paransi hyötysuhdetta merkittävästi.

Tuulivoiman verkkomääräykset Euroopassa ja Yhdysvalloissa sekä niiden kehittyminen tulevaisuudessa älykkäiden sähköverkkojen kannalta

Tuulivoimatekniikan nopea kehitys on lisännyt tuulivoimakapasiteetin määrää sähköverkoissa. Eri maiden siirtoverkko-operaattorit ovatkin julkaisseet tuulivoimaloille omat verkkomääräyksensä. Työssä tutkitaan tuulivoimaloiden tekniikkaa, eri maiden verkko-operaattoreiden asettamia verkkomääräyksiä tuulivoimalle sekä arvioidaan näiden kehitystä tulevaisuudessa. Tutkittaviksi alueiksi on valittu maita, joiden siirtoverkot ovat rakenteeltaan erilaisia ja joissa tuulivoimaloille asetetut vaatimukset sekä asennetun tuulivoimakapasiteetin määrät vaihtelevat. Verkkomääräyksiä käsitellessä on keskitytty vain tärkeimpiin teknisiin vaatimuksiin. Eri verkkomääräykset eroavat toisistaan rakenteeltaan sekä vaatimuksiltaan ja ne ovat tiukentuneet tuulivoiman osuuden kasvaessa kokonaisenergiantuotannosta. Tämä on vaikeuttanut sähköverkoissa toimivien osapuolien operointia. Verkkomääräyksien harmonisoinnille ja kehittämiselle onkin tarvetta verkon kaikkien osapuolien toimintaedellytyksien parantamiseksi. Tuulivoimaloiden sisältämän tehoelektroniikan ja älykkäiden sähköverkkojen kehityksen myötä voidaan tuulivoimalla saavuttaa myös monia etuja esimerkiksi muihin tuotantotapoihin verrattuna.

Hajautetun tuotannon verkkoonliittäminen - verkkokoodit ja käytännön toimet

Euroopan unionin asettamat uusiutuvan energian lisäämistavoitteet ovat kasvattaneet hajautetun tuotannon määrää Euroopassa. Eri hajautetun tuotannon verkkokoodit asettavat tuotantolaitoksille omat vaatimuksensa, mikä vaikeuttaa eri toimijoita, joten yhtenäiselle verkkokoodille on tarvetta. ENTSO-E onkin luomassa tällä hetkellä Euroopan unionille yhtenäisiä pilottiverkkokoodeja, joiden tarkoitus on myöhemmin kattaa kaikkia tuotantolaitoksia koko Euroopassa. Tämän vuoksi ENTSO-E:n verkkokoodien vaatimuksia on syytä tutkia. Tässä diplomityössä tarkastellaan hajautetun tuotannon nykyisiä ja ENTSO-E:n kehitteillä olevia verkkokoodeja. Työssä tutkitaan myös älykkäiden verkkojen ja verkkokoodien kehitystä. Verkkokoodien vertailuja suoritetaan pohjoismaisesta näkökulmasta, mutta vertailuun on otettu myös muita Euroopan maita. Tarkastelu painottuu siirto- ja jakeluverkkokoodien osalta tuulivoimalle asetettaviin vaatimuksiin. Mikrotuotannon verkkokoodien ja käytännön toimien tarkastelu keskittyy invertterin kautta verkkoonliitettäviin tuotantolaitoksiin, joissa aurinkotuotanto on merkittävin tuotantomuoto.

Integration of microgrids into electricity distribution networks

Existing electricity distribution system is under pressure because implementation of distributed generation changes the grid configuration and also because some customers demand for better distribution reliability. In a short term, traditional network planning does not offer techno-economical solutions for the challenges and therefore the idea of microgrids is introduced. Islanding capability of microgrids is expected to enable better reliability by reducing effects of faults. The aim of the thesis is to discuss challenges in integration of microgrids into distribution networks. Study discusses development of microgrid related smart grid features and gives estimation of the guideline of microgrid implementation. Thesis also scans microgrid pilots around the world and introduces the most relevant projects. Analysis reveals that the main focus of researched studies is on low voltage microgrids. This thesis extends the idea to medium voltage distribution system and introduces challenges related to medium voltage microgrid implementation. Differences of centralized and distributed microgrid models are analyzed and the centralized model is discovered to be easiest to implement into existing distribution system. Preplan of medium voltage microgrid pilot is also carried out in this thesis.

Performance and scalability of isolated DC-DC converter topologies in low voltage, high current applications

Fuel cells are a promising alternative for clean and efficient energy production. A fuel cell is probably the most demanding of all distributed generation power sources. It resembles a solar cell in many ways, but sets strict limits to current ripple, common mode voltages and load variations. The typically low output voltage from the fuel cell stack needs to be boosted to a higher voltage level for grid interfacing. Due to the high electrical efficiency of the fuel cell, there is a need for high efficiency power converters, and in the case of low voltage, high current and galvanic isolation, the implementation of such converters is not a trivial task. This thesis presents galvanically isolated DC-DC converter topologies that have favorable characteristics for fuel cell usage and reviews the topologies from the viewpoint of electrical efficiency and cost efficiency. The focus is on evaluating the design issues when considering a single converter module having large current stresses. The dominating loss mechanism in low voltage, high current applications is conduction losses. In the case of MOSFETs, the conduction losses can be efficiently reduced by paralleling, but in the case of diodes, the effectiveness of paralleling depends strongly on the semiconductor material, diode parameters and output configuration. The transformer winding losses can be a major source of losses if the windings are not optimized according to the topology and the operating conditions. Transformer prototyping can be expensive and time consuming, and thus it is preferable to utilize various calculation methods during the design process in order to evaluate the performance of the transformer. This thesis reviews calculation methods for solid wire, litz wire and copper foil winding losses, and in order to evaluate the applicability of the methods, the calculations are compared against measurements and FEM simulations. By selecting a proper calculation method for each winding type, the winding losses can be predicted quite accurately before actually constructing the transformer. The transformer leakage inductance, the amount of which can also be calculated with reasonable accuracy, has a significant impact on the semiconductor switching losses. Therefore, the leakage inductance effects should also be taken into account when considering the overall efficiency of the converter. It is demonstrated in this thesis that although there are some distinctive differences in the loss distributions between the converter topologies, the differences in the overall efficiency can remain within a range of a few percentage points. However, the optimization effort required in order to achieve the high efficiencies is quite different in each topology. In the presence of practical constraints such as manufacturing complexity or cost, the question of topology selection can become crucial.

Modeling and Control of the Power Conversion Unit in a Solid Oxide Fuel Cell Environment

In this doctoral thesis, a power conversion unit for a 10 kWsolid oxide fuel cell is modeled, and a suitable control system is designed. The need for research was identified based on an observation that there was no information available about the characteristics of the solid oxide fuel cell from the perspective of power electronics and the control system, and suitable control methods had not previously been studied in the literature. In addition, because of the digital implementation of the control system, the inherent characteristics of the digital system had to be taken into account in the characteristics of the solid oxide fuel cell (SOFC). The characteristics of the solid oxide fuel cell as well the methods for the modeling and control of the DC/DC converter and the grid converter are studied by a literature survey. Based on the survey, the characteristics of the SOFC as an electrical power source are identified, and a solution to the interfacing of the SOFC in distributed generation is proposed. A mathematical model of the power conversion unit is provided, and the control design for the DC/DC converter and the grid converter is made based on the proposed interfacing solution. The limit cycling phenomenon is identified as a source of low-frequency current ripple, which is found to be insignificant when connected to a grid-tied converter. A method to mitigate a second harmonic originating from the grid interface is proposed, and practical considerations of the operation with the solid oxide fuel cell plant are presented. At the theoretical level, the thesis discusses and summarizes the methods to successfully derive a model for a DC/DC converter, a grid converter, and a power conversion unit. The results of this doctoral thesis can also be used in other applications, and the models and methods can be adopted to similar applications such as photovoltaic systems. When comparing the results with the objectives of the doctoral thesis, we may conclude that the objectives set for the work are met. In this doctoral thesis, theoretical and practical guidelines are presented for the successful control design to connect a SOFC-based distributed generation plant to the utility grid.

Testing Platform Development for Large Scale Solar Integration

Currently, a high penetration level of Distributed Generations (DGs) has been observed in the Danish distribution systems, and even more DGs are foreseen to be present in the upcoming years. How to utilize them for maintaining the security of the power supply under the emergency situations, has been of great interest for study. This master project is intended to develop a control architecture for studying purposes of distribution systems with large scale integration of solar power. As part of the EcoGrid EU Smart Grid project, it focuses on the system modelling and simulation of a Danish representative LV network located in Bornholm island. Regarding the control architecture, two types of reactive control techniques are implemented and compare. In addition, a network voltage control based on a tap changer transformer is tested. The optimized results after applying a genetic algorithm to five typical Danish domestic loads are lower power losses and voltage deviation using Q(U) control, specially with large consumptions. Finally, a communication and information exchange system is developed with the objective of regulating the reactive power and thereby, the network voltage remotely and real-time. Validation test of the simulated parameters are performed as well.

Kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin virtasäätö polttokennosovelluksessa

Ilmastonmuutos ja fossiilisten polttoaineiden ehtyminen ovat edesauttaneet uusiutuvien energialähteiden tutkimusta huomattavasti. Lisäksi alati kasvava sähköenergian tarve lisää hajautetun sähköntuotannon ja vaihtoehtoisten energialähteiden kiinnostavuutta. Yleisimpiä hajautetun sähköntuotannon energialähteitä ovat tuulivoima, aurinkovoima ja uutena tulokkaana polttokennot. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon vaatii tehoelektroniikkaa, ja yleensä yksinkertaisessa polttokennosovelluksessa polttokenno kytketään galvaanisesti erottavan yksisuuntaisen DC/DC-hakkurin ja vaihtosuuntaajan kanssa sarjaan. Polttokennon rinnalla voidaan käyttää akkua tasaamaan polttokennon syöttämää jännitettä, jolloin akun ja polttokennon väliin tarvitaan kaksisuuntainen DC/DC-hakkuri, joka pystyy siirtämään energiaa molempiin suuntiin. Tässä diplomityössä on esitetty kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli sekä mallin perusteella toteutettu virtasäätö. Tutkittava hakkuritopologia on kokosilta-tyyppinen boost-hakkuri, ja säätömenetelmä keskiarvovirtasäätö. Työn tuloksena syntyi tilayhtälömalli kaksisuuntaiselle FB boost -hakkurille sekä sen tulokelan virran säätämiseen soveltuva säädin. Säädin toimii normaalitilanteissa hyvin, mutta erikoistilanteissa, kuten hakkurin tulojännitteen äkillisessä muutostilanteessa, vaadittaisiin tehokkaampi säädin, jolla saavutettaisiin nopeampi nousuaika ilman ylitystä ja oskillointia.

On advancing business intelligence in the electricity retail market

In recent decades, business intelligence (BI) has gained momentum in real-world practice. At the same time, business intelligence has evolved as an important research subject of Information Systems (IS) within the decision support domain. Today’s growing competitive pressure in business has led to increased needs for real-time analytics, i.e., so called real-time BI or operational BI. This is especially true with respect to the electricity production, transmission, distribution, and retail business since the law of physics determines that electricity as a commodity is nearly impossible to be stored economically, and therefore demand-supply needs to be constantly in balance. The current power sector is subject to complex changes, innovation opportunities, and technical and regulatory constraints. These range from low carbon transition, renewable energy sources (RES) development, market design to new technologies (e.g., smart metering, smart grids, electric vehicles, etc.), and new independent power producers (e.g., commercial buildings or households with rooftop solar panel installments, a.k.a. Distributed Generation). Among them, the ongoing deployment of Advanced Metering Infrastructure (AMI) has profound impacts on the electricity retail market. From the view point of BI research, the AMI is enabling real-time or near real-time analytics in the electricity retail business. Following Design Science Research (DSR) paradigm in the IS field, this research presents four aspects of BI for efficient pricing in a competitive electricity retail market: (i) visual data-mining based descriptive analytics, namely electricity consumption profiling, for pricing decision-making support; (ii) real-time BI enterprise architecture for enhancing management’s capacity on real-time decision-making; (iii) prescriptive analytics through agent-based modeling for price-responsive demand simulation; (iv) visual data-mining application for electricity distribution benchmarking. Even though this study is from the perspective of the European electricity industry, particularly focused on Finland and Estonia, the BI approaches investigated can: (i) provide managerial implications to support the utility’s pricing decision-making; (ii) add empirical knowledge to the landscape of BI research; (iii) be transferred to a wide body of practice in the power sector and BI research community.

Assessment of techno-economic use cases for small-scale island grids

The main objective of the study was to define the methodology for assessing the limits for application island grids instead of interconnecting with existing grid infrastructure. The model for simulation of grid extension distance and levelised cost of electricity has been developed and validated by the case study in Finland. Thereafter, sensitivities of the application limits were examined with the respect to operational environment, load conditions, supply security and geographical location. Finally, recommendations for the small-scale rural electrification projects in the market economy environment have been proposed.