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.

Optimization of the power cable for low voltage direct current system

The demand for electricity is constantly growing in contemporary world and, in the same time, quality and reliability requirements are becoming more rigid. In addition, renewable sources of energy have been widely introduced for power generation, and they create specific challenges for the network. Consequently, new solution for distribution system is required, and Low Voltage Direct Current (LVDC) system is the proposed one. This thesis focuses on the investigation of specific cable features for low voltage direct current (LVDC) distribution system. The LVDC system is public ±750 VDC distribution system, which is currently being developed at Lappeen-ranta University of Technology. The aspects, considered in the thesis, are reliable and economic power transmission in distribution networks and possible power line communication in the LVDC cable.

Galvaanisen erotuksen toteuttaminen tasavirtasähkönjakelun asiakaspäätelaitteessa

Suomessa sähkönjakeluverkon pääasialliset jännitetasot ovat 20 kV ja 400 V. 20 kV jännitetasolla sähkö viedään lähelle kuluttajia ja muunnetaan pienemmäksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että 20 kV avojohtosähkönsiirtoverkko on hyvin vika-altis ja usein yhden haaran vikaantuessa monta muutakin jää ilman sähköä. Lisäksi hintavien ja suurien jakelumuuntajien määrä on suuri. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen pienjännite olisi 400 V:a suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä edellyttää vaihtosuuntauksen toteuttamista kuluttajan päässä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA:n tehoisella vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Suurtaajuusmuuntajan mitoitus mahdollisimman hyvälle hyötysuhteelle on haastava tehtävä, koska vaatimuksia sille asettavat sekä syöttävä resonanssikonvertteri että syötettävä syklokonvertteri. Mitoituksessa on pyrittävä löytämään mahdollisimman hyvä hyötysuhde kustannusten ja toteutettavuuden suhteen.

Tasasähkönjakeluverkon asiakaspäätelaitteen galvaanisen erotuksen toteuttaminen

Tässä työssä tutkitaan LLC resonanssipiirin soveltuvuutta galvaanisen erotuksen toteuttamiseen tasasähkönjakeluverkon asiakaspäätelaitteessa. Tarkastellaan resonanssipiirin ominaisuuksia ja aikaisempia käyttökohteita. Tutkitaan piirin soveltuvuutta vaihtosähkö sovellukseen ja esitellään piirin toimintaa, häviöitä ja ohjausta. Esitellään pulssin leveys moduloitu (PWM) ja pulssin tiheys moduloitu (PDM) invertteri sovellukset ja näiden toimintaa. Esitetään vielä parannusehdotuksia ja kytkentäkuvio kytkennän ominaisuuksien ja hyö-tysuhteen parantamiseksi. Tutkimuksessa selvisi, että suora PDM topologia ei sovellu tähän käyttötarkoitukseen suuren suodin induktanssin vuoksi. PWM invertteri topologia jännitteen tasasuuntauksella taas sopii sovellukseen ja tällä rakenteella on mahdollista tehdä galvaaninen erotus hyvinkin hyvällä hyötysuhteella. Pehmeän kytkennän aiheuttamien häviöiden tarkka määrittely simulointimallista on parhaimmillaankin vain suuntaa-antava, mutta tulokset olivat mielestäni oikein positiivisia. LLC resonanssipiirin toimintaa tutkittiin vain resonanssitaajuudella kytkettäessä, jolloin sen jännitevahvistusominaisuuksien hyödyntäminen jää tarkastelun ulko-puolelle.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaajan pulssintiheysmoduloidun pääteasteen ja prototyypin toteutus

Työssä esiteltävä laite on osa DC-AC hakkuria, jolla muodostetaan 750 V tasajännitteestä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) galvaanisesti erotettua verkkojännitettä. Tasajännite muunnetaan resonanssikonvertterilla korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi, joka johdetaan erotusmuuntajaan. Galvaanisen erotuksen jälkeen korkeataajuisesta vaihtojännitteestä muodostetaan suoraan verkkotaajuista vaihtojännitettä työssä esiteltävällä syklokonvertterilla. Suunnittelussa on pyritty minimoimaan häviöt mahdollisimman tarkkaan, jotta laite olisi kilpailukykyinen ei-galvaanisesti erottavien konverttereiden kanssa. Tämä on toteutettu käyttämällä mahdollisimman vähän komponentteja virran kulkureitillä sekä soveltamalla pehmeää kytkentää kaikissa tilanteissa. Lopuksi esitellään prototyyppi, jonka tarkoitus oli selvittää laitteen toiminta ja ongelmakohdat käytännössä.

Pienjännitteisen tasasähkönjakelun hyödyntäminen ja siihen liittyvä tutkimus maailmalla

Tässä kandidaatintyössä selvitetään kirjallisuustutkimuksena, minkälaista tutkimusta maailmalla on tehty liittyen pienjännitteiseen tasasähkönjakeluun, sekä missä sovelluskohteissa sitä hyödynnetään. Työssä esitetään yleisimmät järjestelmärakenteet ja sovelluskohteet sekä organisaatiot, joiden on havaittu tutkivan tasasähkönjakelua kiinteistöissä, microgrideissä tai julkisessa sähkönjakelussa. Katsauksen perusteella havaittiin, että maailmalla on tehty erityisesti laskennallisia tutkimuksia ja simulointeja liittyen pienjännitteiseen tasasähkönjakeluun. Näkökulma on pääasiassa ollut kiinteistöissä ja microgrideissä, vähäisemmässä määrin myös julkisissa sähkönjakeluverkoissa. Pienjännitteistä tasasähkönjakelua hyödynnetään, tai ainakin voitaisiin hyödyntää näissä kohteissa. Pääasiassa konseptilla on pyritty hakemaan kustannussäästöjä ja toisaalta parantamaan hyötysuhdetta. Ympäri maailmaa on käynnissä pilottihankkeita sekä kiinteistöihin, että julkiseen sähkönjakeluun liittyen. Bipolaarinen ratkaisu näytti olevan yleisempi. Käytetyt ja tutkitut jännitetasot vaihtelivat riippuen sovelluskohteesta – kiinteistön sisällä oli käytössä tasot pienoisjännitteestä aina 350–400 VDC jännitetasoon asti, ja sama 350–400 VDC oli selvästi suosittu jännitealue myös jakeluverkossa, mutta myös korkeampia jännitteitä, kuten 700–750 VDC, oli käytössä.

Piirilevyn suunnittelu suurelle virralle DC/DC-muuntimeen

Ajoneuvoissa, kuten busseissa, käytetään yleensä 24 VDC järjestelmiä ja tämä ei muutu myöskään sähköajoneuvojen kohdalla. Sähköajoneuvoissakin tarvitaan siis 24 VDC matalajänniteakustoja valoille, pyyhkijöille ja muille matalan jännitteen järjestelmille. Lisäksi sähköajoneuvoissa on esimerkiksi ilmastointi ja paineilmankompressori, jotka tarvitsevat taajuusmuuttajan pyörittämään niitä. Tässä työssä suunnitellaan suuren virran piilevy DC/DC-muuntimeen, joka on osa ajoneuvokäyttöön suunnitellun invertterin ja DC/DC-muuntimen yhdistelmälaitetta. Työn pääpaino on piirilevyn suunnittelussa, mutta työssä kerrotaan lyhyesti koko laitteen kytkentä ja käyttötarkoitus. Työssä kerrotaan myös tehopiirilevylle tulevien komponenttien valinta, mitoitus ja jäähdytys. Käydään läpi suuren virran piirilevysuunnittelun mitoitusperiaatteet ja mitä seikkoja siinä erityisesti tulee ottaa huomioon. Lisäksi käsitellään piirilevyn liityntöjä ja virtakiskojen lämpenemää virranahtautumisen takia. Suunniteltua piirilevyä mitataan ja sen toimintaa kokeillaan prototyyppilaitteessa. Protoyyppilaitteella havaitaan virtakiskojen lämpenevän liikaa ja huomataan ongelma kytkenssä. Kytkentää korjattiin ja toimintaa analysoitiin uudestaan, jonka jälkeen havaittiin piirilevyn lämpenemän tippuneen 20 °C. Lopputuloksena piirilevyn lämpenemä, korjatulla kytkennällä, on suunnitellun mukainen. Lopussa esitetään piirilevyn korvaamista moduuliratkaisulla laitteen parantamiseksi sarjatuotantoon.

Tietokantaratkaisuehdotus pientasajännitesähköverkoston mittausdatavarastoksi

Lappeenrannan teknillinen yliopisto tutkii pientasajännitesähkön käyttöä. Yliopisto on rakennuttanut Järvi-Suomen Energia Oy:n ja Suur-Savon Sähkö Oy:n kanssa yhteistyössä kokeellisen pientasajännitesähköverkon, jolla pystytään tarjoamaan kenttäolosuhteet pienjännitetutkimukselle todellisilla asiakkailla ja todentaa LVDC-teknologiaa ja muita älykkään sähköverkon toimintoja kenttäolosuhteissa. Verkon tasajänniteyhteys on rakennettu 20 kV sähkönjakeluverkon ja neljän kuluttajan välille. 20 kV keskijännite suunnataan tasamuuntamolla ±750 V pientasajännitteeksi ja uudestaan 400/230 V vaihtojännitteeksi kuluttajien läheisyydessä. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on luoda yliopistolle tietokanta pientasajännitesähköverkosta kertyvälle tiedolle ja mittaustuloksille. Tietokanta nähtiin tarpeelliseksi luoda, jotta pienjänniteverkon mittaustuloksia pystytään myöhemmin tarkastelemaan yhdessä ja yhtenäisessä muodossa. Yhdeksi tutkimuskysymykseksi muodostui, kuinka järjestää ja visualisoida kaikki verkosta palvelimille kertyvä mittausdata. Työssä on huomioitu myös kolme tietokantaa mahdollisesti hyödyntävää käyttäjäryhmää: kotitalousasiakkaat, sähköverkkoyhtiöt ja tutkimuslaboratorio, sekä pohdittu tietokannan hyötyä ja merkitystä näille käyttäjille. Toiseksi tutkimuskysymykseksi muodostuikin, mikä kaikesta tietokantaan talletetusta datasta olisi oleellisen tärkeää ottaa talteen näiden asiakkaiden kannalta, ja kuinka nämä voisivat hakea tietoa tietokannasta. Työn tutkimusmenetelmät perustuvat jo valmiiksi olemassa olevaan mittausdataan. Työtä varten on käytetty sekä painettua että sähköisessä muodossa olevaa kirjallisuutta. Työn tuloksena on saatu luotua tietokanta MySQL Workbench -ohjelmistolla, sekä mittausdatan keräys- ja käsittelyohjelmat Python-ohjelmointikielellä. Lisäksi on luotu erillinen MATLAB-rajapinta tiedon visualisoimista varten, jolla havainnollistetaan kolmen asiakasryhmän mittausdataa. Tietokanta ja sen tiedon visualisointi antavat kuluttajalle mahdollisuuden ymmärtää paremmin omaa sähkönkäyttöään, sekä sähköverkkoyhtiöille ja tutkimuslaboratorioille muun muassa tietoa sähkön laadusta ja verkon kuormituksesta.