Design of marine generators for alternative diesel-electric power systems

This study compares different electric propulsion systems. Results of the analysis of all the advantages and disadvantages of the different propulsion systems are given. This thesis estimates possibilities to apply different diesel-electric propulsion concepts for different vessel types. Small and medium size vessel’s power ranges are studied. The optimal delivery system is chosen. This choice is made on the base of detailed study of the concepts, electrical equipment market and comparison of mass, volume and efficiency parameters. In this thesis three marine generators are designed. They are: salient pole synchronous generator and two permanent magnet synchronous generators. Their electrical, dimensional, cost and efficiency parameters are compared. To understand all the benefits diagrams with these parameters are prepared. Possible benefits and money savings are estimated. As the result the advantages, disadvantages and boundary conditions for the permanent magnet synchronous generator application in marine electric-power systems are found out.

Impacts of increased levels of wind penetration on the Electric Power System of the Åland Islands

The application of VSC-HVDC technology throughout the world has turned out to be an efficient solution regarding a large share of wind power in different power systems. This technology enhances the overall reliability of the grid by utilization of the active and reactive power control schemes which allows to maintain frequency and voltage on busbars of the end-consumers at the required level stated by the network operator. This master’s thesis is focused on the existing and planned wind farms as well as electric power system of the Åland Islands. The goal is to analyze the wind conditions of the islands and appropriately predict a possible production of the existing and planned wind farms with a help of WAsP software program. Further, to investigate the influence of increased wind power it is necessary to develop a simulation model of the electric grid and VSC-HVDC system in PSCAD and examine grid response to different wind power production cases with respect to the grid code requirements and ensure the stability of the power system.

POLITICAL RISK IN FOREIGN DIRECT INVESTMENT IN THE RUSSIAN ELECTRIC POWER SECTOR

Russia approved ambitious reform plan for the electricity sector in 2001 including privatisation of the country’s huge thermal generation assets. So far the sector had suffered from power shortages, aging infrastructure, substantial electricity losses, and weak productivity and profitability numbers. There was obvious need for foreign investments and technologies. The reform was rather successful; the generation assets were privatised in auctions in 2007-2008 and three European energy companies, E.On, Enel and Fortum, invested in and obtained together over 10% of the Russian production assets. The novelty of these foreign investments serves unique object for the study. The political risk is involved in the FDI due to the industry’s social and economic importance. The research’s objective was to identify and analyse the political risk that foreign investors face in the Russian electricity sector. The research had qualitative study method and the empirical data was collected by interviewing. The research’s theoretical framework was based on the existing political risk theories and it focused to understand the Russian government in relation to the country’s stability and define both macro-level and micro-level sources of political risk for the foreign direct investments in the sector. The research concludes that the centralised and obscure political decision-making, economic constriction, high level of governmental control in economy and corruption form the country’s internal macro-level risk sources for the foreign investors in the sector. Additionally the retribution due to the companies’ home country actions, possible violent confrontations at the Russian borders and the currency instability are externally originated risk sources. In the electricity industry there is risk of tightened governmental control and increased regulation and taxation. Similarly the company-level risk sources link to the unreformed heating sector, bargaining with the authorities, diplomatic stress between host and home countries and to companies and government’s divergent perspective for the profit-making. The research stresses the foreign companies’ ability to cope with the characteristics of Russian political environment. In addition to frequent political and market risk assessment, the companies need to focus on currency protection against rouble’s rate fluctuation and actively build good company-citizenship in the country. Good relationship is needed with the Russian political authorities. The political risk identification and the research’s conclusive framework also enable political risk study assessments for other industries in Russia

The evolution ofRussian power industry from monopoly to market operation

ei

Energiataseen hallinta ja optimointi metsäteollisuusintegraatissa

Diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oyj, Kaukaan tehtailla Lappeenrannassa. Integroidussa metsäteollisuudessa energiantuotanto koostuu yleensä sähkön- ja lämmöntuotannosta. Kaukaan tehtailla prosessien lämmöntarve saadaan katettua kokonaisuudessaan omalla tuotannolla, kun taas kulutetusta sähköstä ainoastaan puolet on tuotettu itse. Loput sähköntarpeesta joudutaan ostamaan ulkopuolelta. Tutkimuksen pääpaino on ollut selvittää, miten kustannukset ovat riippuvaisia energiantuotannosta erilaisissa käyttöolosuhteissa. Työn tuloksena on luotu tietokonepohjainen laskentamalli, jonka avulla Kaukaan tehtaiden energiantuotantoa voidaan ohjata taloudellisesti optimaalisimmalla tavalla kulloinkin vallitsevassa käyttötilanteessa. Lisäksi tutkimuksessa on analysoitu tehdasintegraatin lämmönkulutuksen seurannan mahdollisuuksia lämmönsiirtoverkon nykyisten mittausten perusteella. Työssä on kerrottu yleisesti metsäteollisuuden energiankulutuksesta Suomessa. Lisäksi on esitetty arvioita energiankulutuksen kehityksestä tulevaisuudessa sekä keinoja energiatehokkuuden parantamiseksi. Kaukaan tehtailla lämmönkulutuksen seurantaan käytettävät mittausmenetelmät ja -laitteet on esitelty virtausmittausten osalta sekä arvioitu nykyisten mittausten luotettavuutta ja riittävyyttä kokonaisvaltaisen lämpötaseen hallintaan. Kaukaan tehtaiden energiantuotantojärjestelmästä on luotu termodynaaminen malli, johon energiantuotannosta aiheutuneiden kustannusten laskenta perustuu. Energiantuotannon optimoinnilla pyritään määrittelemään tietyn tarkasteluhetken käyttötilanteessa taloudellisesti optimaalisin kattiloiden ajojärjestys. Tarkastelu on rajattu lämmöntuotannon lisäämisen osalta maakaasun käytön lisäämiseen ja höyryturbiinien ohitukseen. Sähkön ja maakaasun hinnan sekä ympäristön lämpötilan vaihtelujen vaikutusta optimaaliseen ajojärjestykseen on havainnollistettu esimerkkien avulla.

Utilization of a Time Domain Simulator in the Technical and Economic Analysis of a Wind Turbine Electric Drive Train

The amount of installed wind power has been growing exponentially during the past ten years. As wind turbines have become a significant source of electrical energy, the interactions between the turbines and the electric power network need to be studied more thoroughly than before. Especially, the behavior of the turbines in fault situations is of prime importance; simply disconnecting all wind turbines from the network during a voltage drop is no longer acceptable, since this would contribute to a total network collapse. These requirements have been a contributor to the increased role of simulations in the study and design of the electric drive train of a wind turbine. When planning a wind power investment, the selection of the site and the turbine are crucial for the economic feasibility of the installation. Economic feasibility, on the other hand, is the factor that determines whether or not investment in wind power will continue, contributing to green electricity production and reduction of emissions. In the selection of the installation site and the turbine (siting and site matching), the properties of the electric drive train of the planned turbine have so far been generally not been taken into account. Additionally, although the loss minimization of some of the individual components of the drive train has been studied, the drive train as a whole has received less attention. Furthermore, as a wind turbine will typically operate at a power level lower than the nominal most of the time, efficiency analysis in the nominal operating point is not sufficient. This doctoral dissertation attempts to combine the two aforementioned areas of interest by studying the applicability of time domain simulations in the analysis of the economicfeasibility of a wind turbine. The utilization of a general-purpose time domain simulator, otherwise applied to the study of network interactions and control systems, in the economic analysis of the wind energy conversion system is studied. The main benefits of the simulation-based method over traditional methods based on analytic calculation of losses include the ability to reuse and recombine existing models, the ability to analyze interactions between the components and subsystems in the electric drive train (something which is impossible when considering different subsystems as independent blocks, as is commonly done in theanalytical calculation of efficiencies), the ability to analyze in a rather straightforward manner the effect of selections other than physical components, for example control algorithms, and the ability to verify assumptions of the effects of a particular design change on the efficiency of the whole system. Based on the work, it can be concluded that differences between two configurations can be seen in the economic performance with only minor modifications to the simulation models used in the network interaction and control method study. This eliminates the need ofdeveloping analytic expressions for losses and enables the study of the system as a whole instead of modeling it as series connection of independent blocks with no lossinterdependencies. Three example cases (site matching, component selection, control principle selection) are provided to illustrate the usage of the approach and analyze its performance.

Power to Gas - sähköenergiasta luonnonkaasua, liiketoimintamahdollisuudet Suomessa

Uusiutuvan sähköntuotannon osuuden kasvaessa kasvaa tarve tasata sähköntuotannon ja kulutuksen vaihteluita varastoimalla sähköä. Power to Gas (PtG) - sähköenergiasta luonnonkaasua tarjoaa yhden mahdollisuuden varastoida sähköä. Sähköä käytetään veden elektrolyysiin, jossa syntynyt vety käytetään metanoinissa yhdessä hiilidioksidin kanssa muodostamaan korvaavaa luonnonkaasua. Näin syntynyttä korvaava luonnonkaasua sähköstä kutsutaan e-SNG-kaasuksi. Tässä työssä tutkitaan PtG-laitoksen investointi, käyttö- ja kunnossapitokuluja. Työssä luodaan laskentamalli, jolla lasketaan PtG-laitoksen neljälle käyttötapaukselle kannattavuuslaskelma. Käyttötapauksille lasketaan myös herkkyystarkasteluja. Kannattavuuslaskelmien perusteella päätellään PtG-laitoksen liiketoimintamahdollisuudet Suomessa. Työssä laskettujen kannattavuuslaskelmien perusteella PtG-laitoksen perustapausten liiketoimintamahdollisuudet ovat huonot. Laskettujen herkkyystarkastelujen perusteella havaittiin, että investointikulut, laitoksen ajoaika ja lisätulot hapesta ja lämmöstä ovat kannattavuuden kannalta kriittisimmät menestystekijät.

Screening of power to gas projects

The purpose of this thesis was the screening of power to gas projects worldwide and reviewing the technologies used and applications for the end products. This study focuses solely on technical solutions and feasibility, economical profitability is excluded. With power grids having larger penetrations of intermittent sources such as solar and wind power, the demand and production cannot be balanced in conventional methods. Technologies for storing electric power in times of surplus production are needed, and the concept called power to gas is a solution for this problem. A total of 57 projects mostly located in Europe were reviewed by going through publications, presentations and project web pages. Hydrogen is the more popular end product over methane. Power to gas is a viable concept when power production from intermittent sources needs to be smoothed and time shifted, when carbon free fuels are produced for vehicles and when chemical industry needs carbon neutral raw materials.

Verkkonaapuruston valvontatehtävien siirto mobiililaitteelta kiinteälle laitteelle PeerHood -verkossa

PeerHood -verkon mobiililaitteiden akkutehon säästämiseksi siirretään mobiililaitteen verkkonaapuruston valvontatehtävät kiinteälle laitteelle. Valvontatehtävien siirto on tarkoitus tehdä silloin, kun laite pysyy paikallaan, esimerkiksi toimisto tiloissa. Laitteen pysyessä paikallaan voidaan verkkonaapurustoa seurata kiinteän laitteen resursseilla ja päivittää verkkomuutokset mobiililaitteelle tarvittaessa. Mobiililaitteen ollessa vain kuuntelutilassa laite säästää akkutehoa, koska sen ei tarvitse aktiivisesti lähettää dataa verkkolaitteillaan. Verkkolaitteet pysyvät lepotilassa ja odottavat vain tulevaa dataa. Verkkonaapuruston valvontatehtävien siirto ei kuitenkaan vaikuta käyttäjän palveluiden hyödyntämiseen, joten verkkolaitteen akkutehon säästö riippuu suuresti käyttäjän toimista, käyttäjä voi edelleen käyttää muiden PeerHood laitteiden palveluita tai tarjota omiaan.

Sähköverkkoyhtiön dokumenttien hallinta

Työssä on tutkittu sähköverkkoyhtiön dokumenttien hallintaa, pääosin keskittymällä käytännön dokumentoinnin tilaan ja sen kehittämiseen. Tutkimus perustuu kirjallisuuteen ja haastatteluihin. Kirjallisuuden avulla on selvitetty työn aihepiirin teoriaa. Haastattelujen avulla on kartoitettu dokumentoinnin nykytilaa ja siihen liittyviä ongelmia sekä alalla yleisesti käytössä olevia toimintatapoja. Työssä on käyty läpi dokumenttien hallinnan perusperiaatteet, menetelmät ja dokumentoinnin rooli sähköverkkoyhtiössä. Erityisesti huomiota on kiinnitetty Helsingin Energian HelenVerkko liiketoiminnon dokumentointiin selvittämällä nykytilaa sekä eri yksiköiden vastuualueita ja toimintatapoja. Myös sähköverkkoyhtiön palveluntuottajien roolia on pohdittu dokumentoinnin kannalta. Nykytilanselvityksen perusteella on koottu dokumenttiluettelo, josta ilmenee mitä dokumentteja HelenVerkossa on käytössä. Työssä on esitelty yleisellä tasolla dokumenttienhallintajärjestelmiin liittyviä toiminnallisuuksia sekä kuvattu muutamia referenssiympäristöjä järjestelmien käytöstä. Työn tuloksena on kuvattu sähköverkkoyhtiölle suositeltava dokumenttien hallinnan toimintatapa sekä kuvattu projektisuunnitelman muodossa, miten kyseisessä esimerkkitapauksessa nykytilasta päästään tavoitetilaan. Dokumenttienhallintaprojektin tavoitteena on kehittää HelenVerkon dokumenttien hallintaa toimivammaksi ja käyttöönottaa dokumenttienhallintajärjestelmä.

Energiansiirtoketjun energiatehokkuus

Tämän työn tavoitteena oli tarkastella energiansiirtoketjun kokonaisenergiatehokkuutta, alkaen polttoaineesta ja päättyen sähköenergian loppukäyttäjään. Tarkasteltava energiansiirtoketju alkaa polttoaineen tuotannosta ja siirrosta. Tämän jälkeen tulee sähköenergian tuottaminen, siirtäminen, jakelu ja loppukäyttö. Sähköntuotannon osalta tarkasteltiin myös vesivoimaa ja tuulivoimaa, jolloin energiansiirtoketjusta jää polttoaineen tuotannon ja siirron häviöt pois. Työn pääpaino kohdistui sähköenergian tuotannon, siirron, jakelun ja loppukäytön energiatehokkuuksien tarkastelemiseen. Työssä selvitettiin myös tulevaisuuden näkymiä, miten hyötysuhteita saataisiin parannettua eri osa-alueilla uusilla tekniikoilla ja käyttötottumuksilla. Loppukäyttäjä saa polttoaineen energiasta hyödyksi noin neljänneksen. Suurimmat häviöt syntyvät sähköenergian tuotannossa, lukuun ottamatta vesivoimalaitoksia, joiden hyötysuhde on erittäin korkea.

Analysis of outliers in electricity spot prices with exampleof New England and New Zealand markets

Electricity spot prices have always been a demanding data set for time series analysis, mostly because of the non-storability of electricity. This feature, making electric power unlike the other commodities, causes outstanding price spikes. Moreover, the last several years in financial world seem to show that ’spiky’ behaviour of time series is no longer an exception, but rather a regular phenomenon. The purpose of this paper is to seek patterns and relations within electricity price outliers and verify how they affect the overall statistics of the data. For the study techniques like classical Box-Jenkins approach, series DFT smoothing and GARCH models are used. The results obtained for two geographically different price series show that patterns in outliers’ occurrence are not straightforward. Additionally, there seems to be no rule that would predict the appearance of a spike from volatility, while the reverse effect is quite prominent. It is concluded that spikes cannot be predicted based only on the price series; probably some geographical and meteorological variables need to be included in modeling.

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.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaaja galvaanisella erotuksella

Suomessa sähkönjakeluverkko koostuu pääasiassa 20 kV ja 400 V jännitetasoista. Tällöin sähkö viedään lähelle kuluttajia suuremmalla jännitetasolla ja muunnetaan alhaisemmaksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että haja-asutusalueilla jakelumuuntajien määrä kasvaa suureksi, koska ne täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen jännite olisi suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä taasen edellyttää asiakaskohtaisien vaihtosuuntaajien käyttöä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvän hyötysuhteen puitteissa. Vaihtosuuntaaja on toteutettu käyttämällä resonanssikonvertteria, joka vaihtosuuntaa jakelujännitteen korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi. Tämän jälkeen toteutetaan galvaaninen erotus käyttäen suurtaajuusmuuntajaa. Tätä seuraa syklokonvertteri, joka pulssintiheysmodulaatiota soveltaen muodostaa lähtöjännitteen. Tämä suodatetaan lopuksi LC- alipäästösuotimella säröltään standardin mukaiseksi. Laite on jaettu työssä kolmeen osaan, joista jokaisen toiminta on selitetty ja simuloitu itsenäisesti. Lopussa koko järjestelmä on simuloitu yhtenä kokonaisuutena. Hyötysuhteeksi arvioitiin karkeasti 94 % ja lopullisista tuloksista voidaan päätellä, että laitteen toteuttaminen prototyypiksi voisi olla kannattavaa.

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.