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.

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.

Effect of Material Recycling on the Feasibility of Solid Recovered Fuel Fired Power Plant

This master’s thesis examines the effects of increased material recycling on different waste-to-energy concepts. With background study and a developed techno-economic computational method the feasibility of chosen scenarios with different combinations of mechanical treatment and waste firing technologies can be evaluated. The background study covers the waste scene of Finland, and potential market areas Poland and France. Calculated cases concentrate on municipal solid waste treatment in the Finnish operational environment. The chosen methodology to approach the objectives is techno-economic feasibility assessment. It combines calculation methods of literature and practical engineering to define the material and energy balances in chosen scenarios. The calculation results together with other operational and financial data can be concluded to net present values compared between the scenarios. For the comparison, four scenarios, most vital and alternative between each other, are established. The baseline scenario is grate firing of source separated mixed municipal solid waste. Second scenario is fluidized bed combustion of solid recovered fuel produced in mechanical treatment process with metal separation. Third scenario combines a biomaterial separation process to the solid recovered fuels preparation and in the last scenario plastics are separated in addition to the previous operations. The results indicated that the mechanical treatment scenarios still need to overcome some problems to become feasible. Problems are related to profitability, residue disposal and technical reliability. Many uncertainties are also related to the data gathered over waste characteristics, technical performance and markets. With legislative support and development of further processing technologies and markets of the recycled materials the scenarios with biomaterial and plastic separation may operate feasibly in the future.

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.

Paperinkeräysyhtiön ympäristölupa sekä energiajakeen vastaanoton, haketuksen ja hyötykäytön suunnittelu ja kannattavuuden arviointi

Papinniemi Oy harjoittaa paperiteollisuuskuidun jatkojalostus- ja paperinkeräystoimintaa. Yhteensä raaka-ainetta tulee käsiteltäväksi noin 10 000 t/a. Työn tavoitteena oli uudistaa yhtiön jätelain (1072/1993) 42 §:n mukainen jätelupa hakemalla toiminnalle uusi ympäristönsuojelulain (86/2000)mukainen ympäristölupa. Lupahakemus toimitettiin Kaakkois-Suomen ympäristökeskuksen Lap-peenrannan toimipisteeseen 22.6.2006. Hakemuksen kuulutusajan ja lausuntokierroksen jälkeen ympäristökeskus teki asiasta myönteisen ympäristölupapäätöksen 1.11.2006. Lupapäätöksen kuulu-tusaika on 30 päivää, jonka jälkeen päätös saa lainvoiman, ellei siitä valiteta. Papinniemi Oy:n tulee tehdä hakemus lupamääräysten tarkistamiseksi 30.6.2017 mennessä. Papinniemi Oy aikoo tulevaisuudessa laajentaa toimintaansa energiajakeen vastaanotto- ja kierrä-tyspolttoaineen valmistustoimintaan. Työn toisena tavoitteena oli laatia suunnitelma ja kannatta-vuuslaskelma ko. toiminnan aloittamiseksi. Saatujen tulosten perusteella kierrätyspolttoaineen val-mistus on kannattavaa, mikäli energiajakeen saatavuus Imatran seudulla on vähintään 1700 t/a. Täl-löin yhden kierrätyspolttoainetonnin valmistuskustannus on 90 ¤. Kustannus vastaa edullisimman Imatralla kilpailevaa toimintaa harjoittavan yrityksen energiajakeen vastaanottohintaa. Polttokel-poista jätettä tuottaville yrityksille tehdyn kyselyn perusteella energiajakeen saatavuus Imatran seu-dulla on noin 3000 t/a, jolloin yhden kierrätyspolttoainetonnin valmistuskustannus on 51,49 ¤. Vaikka kierrätyspolttoaineen hinta romahti EU:n jätteenpolttodirektiivin (2000/76/EY) vaatimusten voimaantulon myötä vuoden 2006 alussa, tullee kierrätyspolttoaineen hinta nousemaan lähivuosina takaisin direktiiviä edeltäneelle tasolle (24 ¤/t). Tällöin energiajakeen vastaanottohinta toiminnan kannattavuusrajalla on 27,49 ¤/t. Kierrätyspolttoaineiden käyttöä tulevaisuudessa lisännee muiden polttoaineiden hinnan nousu, meneillään olevakierrätyspolttoaineiden standardisoimistyö, jätteiden hyödyntämisasteen parantamistavoitteet, jätteiden kaatopaikkasijoituskustannusten nousu ja päästö-kaupan vaikutus.

Pienen mittakaavan CHP-laitokset osana hiilineutraalia maaseutuyhteiskuntaa

Maapallon ilmasto lämpenee koko ajan kasvihuonekaasujen määrän lisääntyessä ilmakehässä. Merkittävin ihmisten aiheuttama päästöjen lähde on fossiilisten polttoaineiden käyttö energiantuotannossa ja liikenteessä, jonka vuoksi on tärkeää lisätä uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää esimerkkialueena olevan maaseutuyhteiskunnan mahdollisuutta olla energiaomavarainen ja materiaalikierroiltaan suljettu, jos alueen tarvitsema sähkö ja lämpö tuotettaisiin paikallisilla biomassavaroilla kahdella rinnakkaisella pienen mittakaavan CHP-laitoksella. Tarkastellut laitokset olivat anaerobisen mädätyksen ja polttokennojen yhdistelmä sekä termisen käsittelyn ja ORC-prosessin yhdistelmä. Työssä tehdyt laskelmat osoittivat, että esimerkkialue saisi tuotettua omilla biomassavaroillaan tarvitsemastaan sähköstä 75 % ja lämmöstä 90 % esimerkkilaitosten avulla. Laskelmissa ei kuitenkaan huomioitu kesä- ja talvikuukausien välistä eroa lämmön kulutuksessa, jonka vuoksi molemmat laitokset eivät voisi toimia koko ajan täydellä teholla. Lisäksi tuotetun lämmön hyötykäyttöä rajoittaa riittävän laajan kaukolämpöverkon puuttuminen esimerkkialueelta. Nykyisen kaukolämpöverkon avulla saataisiin hyödynnettyä vain kolmasosa ORC-prosessilla tuotetusta lämpöenergiasta. Laskelmat osoittivat myös, että alueen kasvihuonekaasupäästöt pienenisivät 21 % eli noin 6 000 hiilidioksidiekvivalenttitonnia vuodessa, jos suurin osa energiasta tuotettaisiin omista biomassavaroista CHP-laitosten avulla ja mädätyksen seurauksena syntyvä reaktorijäännös korvaisi kemiallisten lannoitteiden käytön.

Akku ja vetypolttokenno sähköauton voimanlähteenä

Tässä kandidaatintyössä on käsitelty akkuja ja vetypolttokennoja sähköauton voimanlähteenä. Työssä on esitelty sähköautojen ja niiden voimanlähteiden teknologioiden periaatteita, energiankantajia, hyötysuhteita ja päästöjä. Lisäksi on tarkasteltu polttomoottorikäyttöisiä autotekniikoita vertailukohdan saamiseksi. Työn lopuksi on analysoitu sähköautojen markkinoita ja niiden yleistymiseen vaikuttavia tekijöitä. Sähköautot mahdollistavat vaihtoehtoisten energialähteiden käytön, joka antaa tilaisuuden saasteiden ja päästöjen keskitettyyn vähentämiseen ja talteenottoon. Niiden avulla päästään myös pois öljyriippuvuudesta ja paikallisesti aiheutuneista päästöistä. Nykyisten polttoaineiden helpon käsiteltävyyden, kohtuullisien energiatiheyksien ja laajojen infrastruktuurien vuoksi käytössä olevien tekniikoiden syrjäyttäminen on vaikeaa. Uusien tekniikoiden etuja ja haittoja voidaan tarkastella yksinkertaisilla metodeilla, kuten kustannusten, hyötysuhteiden, päästöjen ja polttoaineiden elinkaarien vertailulla. Vertailua vaikeuttaa tosin hintatasojen ja verotuksen eroavaisuudet eri maissa, ja se on siksi suoritettava osin maakohtaisesti. Suurimpia esteitä uusille tekniikoille ovat tällä hetkellä niiden tuomat lisäkustannukset, infrastruktuurien puuttuminen ja nykyisten polttoaineiden korvaaminen toisella.

Parallel-Operating Three-Phase Voltage Source Inverters – Circulating CurrentModeling, Analysis and Mitigation

The maximum realizable power throughput of power electronic converters may be limited or constrained by technical or economical considerations. One solution to this problemis to connect several power converter units in parallel. The parallel connection can be used to increase the current carrying capacity of the overall system beyond the ratings of individual power converter units. Thus, it is possible to use several lower-power converter units, produced in large quantities, as building blocks to construct high-power converters in a modular manner. High-power converters realized by using parallel connection are needed for example in multimegawatt wind power generation systems. Parallel connection of power converter units is also required in emerging applications such as photovoltaic and fuel cell power conversion. The parallel operation of power converter units is not, however, problem free. This is because parallel-operating units are subject to overcurrent stresses, which are caused by unequal load current sharing or currents that flow between the units. Commonly, the term ’circulatingcurrent’ is used to describe both the unequal load current sharing and the currents flowing between the units. Circulating currents, again, are caused by component tolerances and asynchronous operation of the parallel units. Parallel-operating units are also subject to stresses caused by unequal thermal stress distribution. Both of these problemscan, nevertheless, be handled with a proper circulating current control. To design an effective circulating current control system, we need information about circulating current dynamics. The dynamics of the circulating currents can be investigated by developing appropriate mathematical models. In this dissertation, circulating current models aredeveloped for two different types of parallel two-level three-phase inverter configurations. Themodels, which are developed for an arbitrary number of parallel units, provide a framework for analyzing circulating current generation mechanisms and developing circulating current control systems. In addition to developing circulating current models, modulation of parallel inverters is considered. It is illustrated that depending on the parallel inverter configuration and the modulation method applied, common-mode circulating currents may be excited as a consequence of the differential-mode circulating current control. To prevent the common-mode circulating currents that are caused by the modulation, a dual modulator method is introduced. The dual modulator basically consists of two independently operating modulators, the outputs of which eventually constitute the switching commands of the inverter. The two independently operating modulators are referred to as primary and secondary modulators. In its intended usage, the same voltage vector is fed to the primary modulators of each parallel unit, and the inputs of the secondary modulators are obtained from the circulating current controllers. To ensure that voltage commands obtained from the circulating current controllers are realizable, it must be guaranteed that the inverter is not driven into saturation by the primary modulator. The inverter saturation can be prevented by limiting the inputs of the primary and secondary modulators. Because of this, also a limitation algorithm is proposed. The operation of both the proposed dual modulator and the limitation algorithm is verified experimentally.

Vertailu kahden erityyppisen virtasyötetyn hakkurin soveltuvuudesta polttokennokäyttöihin

Concerns about condition of the environment and rising fossil fuel prices have accelerated the research of finding new cheap and environmental friendly energy source. Fuel cells are one of the most promising green technologies, especially in the field of distributed energy generation, backup power systems, transportation and mobile power generation. In this bachelor’s thesis use of fuel cells is studied, especially from the DC-DC converter point of view. This bachelor’s thesis concentrates on study of two different DC-DC converters. The aim of this thesis is to study design and steering methods for proposed converters. The ultimate aim of this thesis is to determine which one of proposed converters is most suitable for fuel cell applications.

Diskreettiaikainen liukuvan moodin säätö kiinteäoksidipolttokennon DC-tasonnostossa

Huoli ympäristön tilasta ja fossiilisten polttoaineiden hinnan nousu ovat vauhdittaneet tutkimusta uusien energialähteiden löytämiseksi. Polttokennot ovat yksi lupaavimmista tekniikoista etenkin hajautetun energiantuotannon, varavoimalaitosten sekä liikennevälineiden alueella. Polttokenno on tehonlähteenä kuitenkin hyvin epäideaalinen, ja se asettaa tehoelektroniikalle lukuisia erityisvaatimuksia. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon on tavallisesti toteutettu käyttämällä galvaanisesti erottavaa DC/DC hakkuria sekä vaihtosuuntaajaa sarjassa. Polttokennon kulumisen estämiseksi tehoelektroniikalta vaaditaan tarkkaa polttokennon lähtövirran hallintaa. Perinteisesti virran hallinta on toteutettu säätämällä hakkurin tulovirtaa PI (Proportional and Integral) tai PID (Proportional, Integral and Derivative) -säätimellä. Hakkurin epälineaarisuudesta johtuen tällainen ratkaisu ei välttämättä toimi kaukana linearisointipisteestä. Lisäksi perinteiset säätimet ovat herkkiä mallinnusvirheille. Tässä diplomityössä on esitetty polttokennon jännitettä nostavan hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli, sekä malliin perustuva diskreettiaikainen integroiva liukuvan moodin säätö. Esitetty säätö on luonteeltaan epälineaarinen ja se soveltuu epälineaaristen ja heikosti tunnettujen järjestelmien säätämiseen.

Notes on Emerging Technologies

This dissertation considers the impact of technology foresight in innovation within the context of a technology driven development. The main hypothesis made was that by using different methods of foresight in the industry level significant value could be created. The question was approached through a case study in portable fuel cell technology. The theoretical background of the study draws from Innovation, Product Development, Management of Technology, and Technology Foresight. The connection within the topics is made by analyzing foresight, not in a policy view as often done in Europe, but in a micro-level. Focusing mostly on how a technology driven development scenario could be analyzed. The study is based on a bibliometric, extrapolation and patent analysis within the context of a case study. In addition, a large two-year Delphi study was conducted. The study was finalized with a scenario work on the future possibilities of the case study technology. Original publications also consider several methodological issues. In the context of the case study, the study questions the practicality of establishing a portable fuel cell technology in Finland showing several impractical assumptions has been made. In a more conceptual level, the study makes notions on two underlying factors: policy-push technologies and growth of data. Policy-push questions in which level a policy effort towards a single technology is practical. The European foresight effort is more directed towards policy decisions in contrast to US foresight, which is to some extent corporate driven. Although the policy-based foresight has produced significant results in the European context, policy led efforts towards a single technology are challenging. Growth of data argues on the challenges produced by the large-scale application of quantitative measures of foresight. Bibliometric studies and trend extrapolations have been taken advantage of the increasing number of databases made available, and used these as the basis for forecasts. However, the relationship with actual development and quantitative evidence is still unproven.

Kierrätyspolttoainemarkkinat Euroopassa

Työn tavoitteena oli selvittää Saksan, Ruotsin ja Suomen kierrätyspolttoaineen valmistusta ja käyttöä sekä kierrätyspolttoainemarkkinoita. Kierrätyspolttoaineiden käyttöä ja valmistusta sekä kierrätyspolttoainemarkkinoita säädellään tarkastelumaissa EU-lainsäädännöllä ja kansallisilla lainsäädännöillä jätteistä, jätteenpoltosta ja materiaalikierrätyksestä sekä CEN/TC 343-toimikunnan standardeilla kiinteille kierrätyspolttoaineille. Työn johtopäätöksenä on, että kierrätyspolttoainemarkkinat ovat tarkastelumaissa hyvin ulkoapäin ohjautuvat ja markkinaehtoista tasapainoa ei ehdi syntyä. Tarkastelumaiden markkinat ovat erilaiset, Saksassa kierrätyspolttoaineiden käyttö ja valmistus on pitkälle kehittynyttä, tiheää ja monipuolista, Ruotsissa yhteisen termistön puuttuminen kertoo alan hajanaisuudesta. Saksassa ja Ruotsissa kierrätyspolttoainemarkkinoiden kasvamiseen ovat vaikuttaneet kaatopaikkakiellot. Suomessa tähän asti pelkkään rinnakkaispolttoon perustuneet kierrätyspolttoainemarkkinat ovat vasta vakiintumassa. Kierrätyspolttoainemarkkinat tulevat kansainvälistymään ja kilpailu materiaalista tulee kovenemaan. Standardien käyttöönotto tulee olemaan helpointa Suomessa, jossa kierrätyspolttoaineen standardisoinnista on kokemusta. Suomen olisi syytä ottaa jäte- ja energiahuollon ratkaisuissa huomioon eri toimintojen aiheuttamat talous- ja ympäristövaikutukset.

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.

Waste-to-Energy Scenarios in the China Context

Waste incineration plants are increasingly established in China. A low heating value and high moisture content, due to a large proportion of biowaste in the municipal solid waste (MSW), can be regarded as typical characteristics of Chinese MSW. Two incineration technologies have been mainly established in China: stoker grate and circular fluidized bed (CFB). Both of them are designed to incinerate mixed MSW. However, there have been difficulties to reach the sufficient temperature in the combustion process due to the low heating value of the MSW. That is contributed to the usage of an auxiliary fossil fuel, which is often used during the whole incineration process. The objective of this study was to design alternative Waste-to-energy (WTE) scenarios for existing WTE plants with the aim to improve the material and energy efficiency as well as the feasibility of the plants. Moreover, the aim of this thesis was to find the key factors that affect to the feasibility of the scenarios. Five different WTE plants were selected as study targets. The necessary data for calculation was gained from literature as well as received from the operators of the target WTE plants. The created scenarios were based on mechanical-biological treatment (MBT) technologies, in which the produced solid recovered fuel (SRF) was fed as an auxiliary fuel into a WTE plant replacing the fossil fuel. The mechanically separated biowaste was treated either in an anaerobic digestion (AD) plant, a biodrying plant, a thermal drying plant, or a combined AD plant + thermal drying plant. An interactive excel spreadsheet based computation tool was designed to estimate the viability of the scenarios in different WTE cases. The key figures of the improved material and energy efficiency, such as additional electricity generated and avoided waste for landfill, were got as results. Furthermore, economic indicators such as annual profits (or costs), payback period, and internal rate of return (IRR) were gained as results. The results show that the AD scenario was the most profitable in most of the cases. The current heating value of MSW and the tipping fee for the received MSW appeared as the most important factor in terms of feasibility.