DC Boost Stage in Photovoltaic Systems

The performance of Grid connected Photovoltaic System working with DCBoost stage is investigated. The DC-Boost Converter topology is deduced from three phase half controlled bridge and controlled by Sliding Mode Control. Due to the fact that Grid connected Photovoltaic System includes Solar cells as a DC source and inverter for grid connection, those are under the scope of this research as well. The advantages of using MPPT are analyzed. The system is simulated in Matlab-Simulink™ environment.

Mallipohjainen suunnittelu osana aurinkosähkövaihtosuuntaajan tuotekehitystä

Työssä selvitetään mallipohjaisen suunnittelun ja simulointimallista tuotetun ohjelmakoodin kelpoisuutta tuotekehityskäytössä. Työtapoja tutkitaan, koska halutaan selvittää parantavatko esitetyt toimintatavat aurinkosähkövaihtosuuntaajien ohjelmistokehitystä. Työssä käydään läpi mallipohjaisen suunnittelun työvaiheet, niiden sisältö ja tarkoitus. Aurinkosähköjärjestelmästä muodostetaan simulointimalli, josta tuotetaan maksimitehopisteseuraajan ohjelmakoodi, jonka toiminta testataan aurinkosähkövaihtosuuntaajan ohjausalustan simulaattorissa. Mallipohjainen suunnittelu mahdollistaa ohjelmistotuotekehityksen nopeuttamisen käyttämällä samaa järjestelmää useassa työvaiheessa. Ohjelmakoodin tuottaminen simulointimallista on mahdollista ja hyödyllistä, jos yrityksessä käytetään simulointitestausta säätö- ja ohjausjärjestelmän toiminnan suunnitteluun ja varmentamiseen.

Arinakattilalaitoksen polttoainekäytön tarkastelu

Tässä diplomityössä on tutustuttu Lahti Energia Oy:n Heinolan voimalaitoksen energiantuotantoon. Heinolan voimalaitos on vanha, mutta sen pääkattilana toimiva arinakattila on uusittu 2004. Voimalaitoksen toimintaa halutaan kehittää nykyaikaisemmaksi ja energiatehokkaammaksi. Voimalaitoksella on nykyään kolme asiakasta, joista uusin on liittynyt höyryverkkoon vuonna 2011. Työssä on tutkittu miten voimalaitoksen polttoaineiden käyttö muuttuu uuden asiakkaan myötä. Diplomityön teoriaosassa on keskitytty antamaan tietoa erilaisista polttoaineista sekä arinapolttamisesta polttotekniikkana. Työssä on laskettu voimalaitoksen asiakkaiden käyttämä energiavuositasolla, voimalaitoksen kattilahyötysuhde, prosessihyötysuhde ja niiden avulla laitoksen tarvitsema polttoaine-energia vuodessa. Laskelmat antavat hyvän yleisen kuvan voimalaitoksen käytöstä tällä hetkellä. Käyttöennusteen avulla voidaan arvioida myös laitoksen taloudellista tilaa polttoaineseoksen näkökulmasta.

Lastunmuodostus jäätyneen ja sulan puun pyörösahauksessa

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää eri parametrien vaikutusta lastunmuodostukseen pyörösahattaessa jäätynyttä ja sulaa puuta. Tutkimuksessa vertailtiin erityisesti jäätyneen ja sulan puun eroja sahauksen kannalta. Lisäksi tutkittiin puruvuodon esiintymistä pyörösahauksessa. Tutkimuksen empiirisessä osassa tutkittiineri parametrien vaikutusta sahauksen maksimitehoon, lastujen kokojakaumaan sekälastunmuodostukseen. Lastunmuodostusta kuvattiin videokameralla erittäin nopealla suljinajalla ja syntyneitä videokuvia arvioitiin silmämääräisesti. Mittaustenperusteella havaittiin, että jäätyneen ja sulan puun eroavaisuudet pyörösahauksessa ovat melko pienet. Lisäksi saatiin määritettyä muiden käytettyjen muuttujien vaikutukset puun pyörösahauksessa. Tutkimuksessa havaittiin myös, että puun sisäisillä ominaisuuksilla on erittäin suuri vaikutus sahausprosessiin.

Maakaasulla tuotetun aluelämmön tekniset edellytykset ja kilpailukyvyn arviointi

Tässä diplomityössä tutkitaan maakaasulla tuotetun aluelämmön teknisiä edellytyksiä sekä tuotetun lämmön kilpailukykyä. Työon tehty Helsinkikaasu Oy:n tilauksesta käyttäen tutkimuskohteina heidän olemassa olevia lämpökeskuksia. Helsinkikaasu Oy:n lämpökeskukset ovat tehoiltaan alle10 MW, joka on myös työssä tarkasteltavien lämpökeskuksien maksimiteho. Diplomityössä määritellään kyseisen teholuokkaan suunnittelu- ja mitoitusperusteet, tarkastellaan lämpöliiketoimintamalleja sekä arvioidaan liiketoiminnan kasvupotentiaali. Diplomityön on tarkoitus toimia työkaluna HelsinkikaasuOy:n laajentaessa lämpöliiketoimintaansa.

Lentotuhkan fraktiointi sähkösuodattimella ja Ion Blast -menetelmällä

Diplomityö on osa YTI-tutkimuskeskuksessa vuosina 2002 - 2004 toteutettavaa Jätekompostit rakeiksi tuhkaseostuksella -käyttöarvon parantaminen -projektia. Työssä tutkittiin Etelä-Savon Energia Oy:n Pursialan voimalaitoksen lentotuhkan fraktioimista voimalaitoksen nykyisellä 3-kenttäisellä sähkösuodattimella ja pilot-mittakaavaisella Ion Blast -koelaitteistolla. Sähkösuodattimen koeajojen aikana muuteltiin sen ajotapaa mm. CBO -suhteen ja maksimijänniteasetuksen avulla. Ion Blast -koelaitteistolla tutkittiin mahdollisuuksia voimalaitoksen lentotuhkan puhdistamiseksi raskasmetalleista. Lentotuhkan hyötykäyttöä vaikeuttaa sen raskasmetallipitoisuuksien suuri vaihtelu. Ongelmallisin raskasmetalli puuperäisessä lentotuhkassa on kadmium, jonka lannoitelainsäädännön raja-arvo on tällä hetkellä 3 mg/kg. Sähkösuodattimella tehtyjen fraktiointikokeiden perusteella voidaan todeta raskasmetallipitoisuuksien olevan pienimmillään sähkösuodattimen 1-kentässä ja suurimmillaan 3-kentässä. Tämä johtuu siitä, että 1-kenttään kerääntyy hiukkaskooltaan suurimmat lentotuhkahiukkaset ja 3-kentässä on mukana enemmän pienhiukkasia sisältävää tuhkaa. Lannoitteeksi menevän tuhkan Cd-pitoisuutta voidaan vähentää parhaimmillaan jopa 70 % sähkösuodattimella fraktioimalla. Muiden raskasmetallien pitoisuudet eivät vähene aivan yhtä paljon. Sähkösuodattimella voidaan tulosten perusteella fraktioida lentotuhkaa. Sähkösuodattimella ei kuitenkaan voida varmasti saavuttaa alle 3 mg/kg Cd-pitoisuuksia polttoaineen laadunvaihtelun vuoksi. Ion Blast -koelaitteiston tulokset tukevat sähkösuodattimella tehtyjä kokeita. Erottimen jännitteen kasvaessa raskasmetalleja sisältävien hiukkasten erotusaste kasvaa. Ion Blast -laitteistolla tehdyissä kokeissa myös Cd-pitoisuus oli korkeimmillaan pienimmän raeluokan hiukkasissa ja laski sitten raeluokan suurentuessa. Ion Blast -laitteisto ei kuitenkaan sellaisenaan ole hyvä fraktiointiin. Se on liian tehokas, jolloin se puhdistaa tehokkaasti myös raskasmetalleja sisältävät pienhiukkaset. Jos laitetta aiotaan käyttää fraktiointiin, tulisi sen rakennetta muuttaa.

Hiilidioksidin päästökaupan markkinatilanne vuoden 2005 alussa

Diplomityössä selvitettiin EU:ssa vuoden 2005 alusta alkavan päästökauppajärjestelmän toimintaympäristöä, sen taustaa ja sopimuksia joihin se pohjautuu. Varsinaisena tutkimusongelmana pyrittiin tunnistamaan muuttujat, jotka päästökaupan osalta vaikuttavat päästökaupan piirissä toimivaan yritykseen ja verrattiin eri toimijoita näiden tekijöiden avulla. Tekijöitä tarkasteltiin eri tasoilla niin, että ylimpänä tasona toimi koko maailman taso ja alimpana yksittäinen toimija. Näiden välissä tarkastelutasoina olivat EU:n laajuinen taso, yksittäisen maan laajuinen taso, sekä toimijaryhmän muodostaman toimialasektorin taso. Esimerkkinä näiden tekijöiden käytöstä toimijoiden vertailussa otettiin tarkasteltavaksi kolme suomalaista hiilivoimalaa: Lahtienergian omistama Kymijärven hiilivoimalaitos, Fortumin ja Teollisuuden voiman yhdessä omistama Meri-Porin hiilivoimalaitos sekä Helsingin Energian omistama Salmisaaren voimalaitos. Vertailu osoitti, että suurin laitoksista, eli Meri-Porin voimalaitos on suurimpien haasteiden edessä päästökaupan alkaessa, mutta toisaalta sillä on myös suurimmat resurssit selviytyä niistä.

Aaltovoimalaitteen toimintaperiaatteen analysointi

Diplomityö tehtiin Wello Oy:n toimeksiannosta. Wello Oy on vesi- ja tuulivoimaratkaisuihin keskittynyt yritys, joka kehittää aaltovoimalaitekonseptia. Työssä selvitettiin aaltovoimaan liittyviä ilmiöitä ja aaltovoimalaitteen mekaanista konseptia ja tehtiin arvio niiden tehokkuudesta. Työssä käytettiin kaupallisia simulointityökaluja kuten monikappaledynamiikan simulointiohjelmaa MSC.ADAMS R3:a ja yleistä matematiikka ohjelmaa Matlab Simulink:ia. Simulointimallia käytettiin arvioimaan laitteen yleistä käyttäytymistä. Lisäksi laitteen analyyttisiä malleja käytettiin laitteen toimintaperiaatteen selvitykseen. Simulointia käytettiin kelluvan laitteen mekanismin tutkimukseen. Tuloksiin pohjautuen laitteelle määriteltiin teoreettiset maksimiteho rajat ja rajoitteet, jotka vaikuttavat laitteen tehokkuuteen.

ZigBee-verkot ja evaluointilaitteen suunnittelu

In this thesis a closer look at ZigBee wireless network protocol was made and a ZigBee evaluation device was designed and built for testing it. ZigBee is a digital wireless network technology published in 2004, which was developed for wireless control and automation systems. It is based on the IEEE 802.15.4-2003 standard, and its aim was to create a reliable wireless networking protocol with secure data transmissions, low power consumption and low manufacturing costs. The low power consumption requirement has also led to a slow data rate and a short range, but in a ZigBee network individual network devices can route messages to each other, so short range is not a problem. In automation and control systems a fast data rate is not usually an important requirement either. ZigBee network can form automatically and one ZigBee network can theoretically include thousands of devices, all of which can communicate with each other. ZigBee network is also self-healing, so an individual device dropping out of the network, like breaking down, does not affect functionality of the network. Evaluation device was designed and implemented in four different versions, which were tested with six different antenna designs. All antennas were tested at a range of 100 meters in an open terrain using two different frequencies and transmission powers. Also a range test was performed for selected antennas using transmission power of 4,5 dBm, which was maximum power of the ZigBee chip used in the evaluation device. Range test resulted in a measured range of several hundred meters, which can be considered as a good result for a short-range technology.

Energy Efficiency of a Diesel-Electric MobileWorking Machine

The power demand of many mobile working machines such as mine loaders, straddle carriers and harvesters varies significantly during operation, and typically, the average power demand of a working machine is considerably lower than the demand for maximum power. Consequently, for most of the time, the diesel engine of a working machine operates at a poor efficiency far from its optimum efficiency range. However, the energy efficiency of dieseldriven working machines can be improved by electric hybridization. This way, the diesel engine can be dimensioned to operate within its optimum efficiency range, and the electric drive with its energy storages responds to changes in machine loading. A hybrid working machine can be implemented in many ways either as a parallel hybrid, a series hybrid or a combination of these two. The energy efficiency of hybrid working machines can be further enhanced by energy recovery and reuse. This doctoral thesis introduces the component models required in the simulation model of a working machine. Component efficiency maps are applied to the modelling; the efficiency maps for electrical machines are determined analytically in the whole torque–rotational speed plane based on the electricalmachine parameters. Furthermore, the thesis provides simulation models for parallel, series and parallel-series hybrid working machines. With these simulation models, the energy consumption of the working machine can be analysed. In addition, the hybridization process is introduced and described. The thesis provides a case example of the hybridization and dimensioning process of a working machine, starting from the work cycle of the machine. The selection and dimensioning of the hybrid system have a significant impact on the energy consumption of a hybrid working machine. The thesis compares the energy consumption of a working machine implemented by three different hybrid systems (parallel, series and parallel-series) and with different component dimensions. The payback time of a hybrid working machine and the energy storage lifetime are also estimated in the study.

Design and testing of an armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator for island operation

At present, permanent magnet synchronous generators (PMSGs) are of great interest. Since they do not have electrical excitation losses, the highly efficient, lightweight and compact PMSGs equipped with damper windings work perfectly when connected to a network. However, in island operation, the generator (or parallel generators) alone is responsible for the building up of the network and maintaining its voltage and reactive power level. Thus, in island operation, a PMSG faces very tight constraints, which are difficult to meet, because the flux produced by the permanent magnets (PMs) is constant and the voltage of the generator cannot be controlled. Traditional electrically excited synchronous generators (EESGs) can easily meet these constraints, because the field winding current is controllable. The main drawback of the conventional EESG is the relatively high excitation loss. This doctoral thesis presents a study of an alternative solution termed as a hybrid excitation synchronous generator (HESG). HESGs are a special class of electrical machines, where the total rotor current linkage is produced by the simultaneous action of two different excitation sources: the electrical and permanent magnet (PM) excitation. An overview of the existing HESGs is given. Several HESGs are introduced and compared with the conventional EESG from technical and economic points of view. In the study, the armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator with alternated current linkages (ARC-PMSG with ACL) showed a better performance than the other options. Therefore, this machine type is studied in more detail. An electromagnetic design and a thermal analysis are presented. To verify the operation principle and the electromagnetic design, a down-sized prototype of 69 kVA apparent power was built. The experimental results are demonstrated and compared with the predicted ones. A prerequisite for an ARC-PMSG with ACL is an even number of pole pairs (p = 2, 4, 6, …) in the machine. Naturally, the HESG technology is not limited to even-pole-pair machines. However, the analysis of machines with p = 3, 5, 7, … becomes more complicated, especially if analytical tools are used, and is outside the scope of this thesis. The contribution of this study is to propose a solution where an ARC-PMSG replaces an EESG in electrical power generation while meeting all the requirements set for generators given for instance by ship classification societies, particularly as regards island operation. The maximum power level when applying the technology studied here is mainly limited by the economy of the machine. The larger the machine is, the smaller is the efficiency benefit. However, it seems that machines up to ten megawatts of power could benefit from the technology. However, in low-power applications, for instance in the 500 kW range, the efficiency increase can be significant.

Radiaalikompressorin aerodynaaminen suunnittelu

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut suunnitella radiaalikompressori. Aluksi on tutustuttu radiaalikompressorissa tapahtuviin ilmiöihin, jonka jälkeen radiaalikompressori on suunniteltu. Reunaehtoina suunnittelussa olivat toimilaitteelta saatava teho 250 kW ja sen suurin pyörimisnopeus 500 Hz. Esisuunnittelu on tehty Virtaustekniikan laboratoriossa kehitetyllä CentriFlow-ohjelmalla. Juoksupyörän muoto on suunniteltu viskoosittomilla 2D-malleilla. Juoksupyörän muodon suunniittelussa on käytetty kaupallista AxCent-ohjelmaa. Juoksupyörän muoto on tarkistettu laskennallisen virtausdynamiikan avulla. Virtausmallinnuksessa käytettiin FinFlo-ohjelmaa. Suunnittelun ja mallinnuksen pohjalta valittiin kolme erilaista juoksupyörää valmistukseen.

Jätteen kaasutus ja energiakäyttö

Kiinteiden polttoaineiden muuntaminen kaasumaiseen muotoon eli kaasuttaminen herätti jo vuosia sitten tutkijoiden kiinnostusta. Suomessa yleinen mielenkiinto on viimeaikoina keskittynyt edullisempien polttoaineiden kaasuttamiseen ja saatavan tuotekaasun polttamiseen. Lahti Energian uudessa Kymijärvi 2 voimalaitoksessa kaasutetaan puuta ja kierrätyspolttoainetta (REF). Saatava tuotekaasu jäähdytetään ja suodatetaan, jotta epäpuhtaudet saadaan pois tuotekaasusta. Puhdistettu tuotekaasu poltetaan kaasukattilassa korkeilla höyrynarvoilla. Tuotekaasun jäähdyttämistä ei ole paljoa tehty eikä siitä ole juurikaan tieteellistä tutkimusta eikä kokemusta. Tuotekaasun jäähtyessä partikkelit tarttuvat lämpöpinnoille aiheuttaen kerrostumia. Kerrostumat heikentävät lämmönsiirtoa olennaisesti. Tämän työn tarkoitus on tutkia kaasutusprosessia, tuotekaasun jäähdyttimen likaantumista sekä antaa lisätietoja likaantumiseen vaikuttavista tekijöistä.

Toikansuon kaatopaikkakaasun hyödyntäminen kaukolämmöntuotantoon

Tämän työn päätavoitteena oli selvittää, onko Toikansuon kaatopaikkakaasun hyödyntäminen kaukolämmöntuotantoon Lappeenrannan Energialle taloudellisesti kannattavaa. Kaatopaikkakaasulla voitaisiin korvata kaukolämmöntuotannossa puuta ja maakaasua, mistä aiheutuisi säästöä. Kaukolämmöntuotantoa varten olisi hankittava lämpökeskus ja rakennettava tarvittava infrastruktuuri, mistä aiheutuisi taas toisaalta kustannuksia. Paroc hyödyntää nykyisin Toikansuon kaatopaikkakaasun. Paroc ei hyödynnä kaasua niin paljon kuin olisi mahdollista, ja tulevaisuudessa Paroc ei välttämättä pysty hyödyntämään kaasua ollenkaan. Työssä arvioitiin Toikansuon kaatopaikkakaasupotentiaali, jonka perusteella pyydettiin toimittajilta tarjous kohteeseen soveltuvasta lämpökeskuksesta. Lämpökeskukselle etsittiin lisäksi sijoituspaikka sekä arvioitiin tarvittavan infrastruktuurin rakentamisesta aiheutuvat kustannukset ja lämpökeskuksen käytönaikaiset kustannukset. Aiheutuvia kustannuksia verrattiin vaihtoehtoisten kaukolämmöntuotantotapojen polttoainekustannuksissa saavutettuun säästöön nykyarvomenetelmän avulla. Investoinnin nykyarvo esitettiin eri kaatopaikkakaasun hinnoilla, sillä kaatopaikkakaasusta maksettava hinta on Lappeenrannan Energian ja Lappeenrannan kaupungin välinen neuvottelukysymys. Työn tulosten perusteella Toikansuon kaatopaikkakaasua pystyttäisiin hyödyntämään kaukolämmöntuotantoon noin 15 vuotta. Investointi on Lappeenrannan Energialle kannattava, kunhan kaatopaikkakaasusta maksettava hinta on riittävän alhainen ja laskelmiin valitut lähtöarvot pitävät riittävän hyvin paikkansa. Investointiin sisältyy kuitenkin riskinsä, sillä laskelmat sisältävät useita tulevaisuudessa muuttuvia tekijöitä, joiden kehitystä on vaikea arvioida tarkasti. Investointia tulisi harkita, jos Paroc ei pysty tulevaisuudessa hyödyntämään kaasua ollenkaan tai tavoitteena on minimoida kasvihuonekaasupäästöt. Pelkkää taloudellisen tuoton tavoittelua ajatellen investointi on liian epävarma.

Power quality improving with virtual flux-based voltage source line converter

Line converters have become an attractive AC/DC power conversion solution in industrial applications. Line converters are based on controllable semiconductor switches, typically insulated gate bipolar transistors. Compared to the traditional diode bridge-based power converters line converters have many advantageous characteristics, including bidirectional power flow, controllable de-link voltage and power factor and sinusoidal line current. This thesis considers the control of the lineconverter and its application to power quality improving. The line converter control system studied is based on the virtual flux linkage orientation and the direct torque control (DTC) principle. A new DTC-based current control scheme is introduced and analyzed. The overmodulation characteristics of the DTC converter are considered and an analytical equation for the maximum modulation index is derived. The integration of the active filtering features to the line converter isconsidered. Three different active filtering methods are implemented. A frequency-domain method, which is based on selective harmonic sequence elimination, anda time-domain method, which is effective in a wider frequency band, are used inharmonic current compensation. Also, a voltage feedback active filtering method, which mitigates harmonic sequences of the grid voltage, is implemented. The frequency-domain and the voltage feedback active filtering control systems are analyzed and controllers are designed. The designs are verified with practical measurements. The performance and the characteristics of the implemented active filtering methods are compared and the effect of the L- and the LCL-type line filteris discussed. The importance of the correct grid impedance estimate in the voltage feedback active filter control system is discussed and a new measurement-based method to obtain it is proposed. Also, a power conditioning system (PCS) application of the line converter is considered. A new method for correcting the voltage unbalance of the PCS-fed island network is proposed and experimentally validated.