Modelling of North-West Russian market behavior considering technical restrictions of transmission grid

Nowadays the Finnish-Russian electric energy interaction is carried out through the back-to-back DC Vyborg substation and several power plants working synchronously with Finnish power system. Constant amount of energy flows in one direction — from Russia to Finland. But the process of electricity market development in Russian energy system makes the new possibilities of electrical cooperation available. The goal of master's thesis is to analyze the current state and possible evolution trends of North-West Russian system in relation with future possible change in power flow between Russia and Finland. The research is done by modelling the market of North-West Russia and examination of technical grid restrictions. The operational market models of North-West region of Russia for the years 2008 and 2015 were created during the research process. The description of prepared market models together with modelling results and their analysis are shown in the work. The description of power flow study process and results are also presented.

Automatic meter reading – benefits and applications

In liberalized electricity markets, which have taken place in many countries over the world, the electricity distribution companies operate in the competitive conditions. Therefore, accurate information about the customers’ energy consumption plays an essential role for the budget keeping of the distribution company and for correct planning and operation of the distribution network. This master’s thesis is focused on the description of the possible benefits for the electric utilities and residential customers from the automatic meter reading system usage. Major benefits of the AMR, illustrated in the thesis, are distribution network management, power quality monitoring, load modelling, and detection of the illegal usage of the electricity. By the example of the power system state estimation, it was illustrated that even the partial installation of the AMR in the customer side leads to more accurate data about the voltage and power levels in the whole network. The thesis also contains the description of the present situation of the AMR integration in Russia.

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.

Prognosis of after spot volumes at the Scandinavian electricity market

The Thesis is dedicated to development of an operative tool to support decision making in after spot trading on the Nordic electricity market. The basics of the Nordic electricity market, trading mechanisms on the spot and after spot markets are presented in the Thesis. Mathematical equations that describe electricity balance condition in the power system are offered. The main driving factors that impact deviation of actual electricity balance from the scheduled one (object) in the power system have been explored and mathematically defined. The behavioral model of the object and principal trends in change of state of the object under an impact of the driving factors are determined with the help of regression analysis made in Microsoft Office Excel. The behavioral model gives an indication for the total regulation volume (Elbas trades volume, volume of regulation market, balance power) for a certain hour that serves as the base input in estimating prices on the after spot markets. Proposals for development of methodologies of forecasting the after spot electricity prices are offered.

Control de la derivació de l'aigua de reg de Masjoan

RESUM Masjoan és una masia del segle XII on resideix la família Masferrer des del 1710. Actualment a Masjoan l’activitat principal és el cultiu i venta de plantes ornamentals, i l’explotació forestal per obtenir fusta. Pel que fa a l’aigua, tant per a la realització de l’activitat professional com per al subministrament de la casa, aquesta prové de mines d’aigua natural situades en la finca. L’objectiu d’aquest TFC ha estat dissenyar un sistema autònom per automatitzar el procés de derivació de l’aigua procedent d’una mina, i d’aquesta manera aprofitar millor els recursos naturals dels que és disposa. El desenvolupament d’aquest sistema, comprèn la selecció i configuració de sensors i actuadors, el disseny del circuit amb la realització de la placa, el disseny del sistema d’alimentació autònom, el software que controla el sistema, i dimensionar la resta d’elements de la instal•lació. Tot el sistema està controlat per un microcontrolador PIC16F876 i alimentat per un mòdul solar de 4W. En el disseny s’ha procurat, sobredimencionar les diferents etapes per possibles ampliacions o modificacions del sistema i que el circuit procures optimitzar el consum d’energia. Com a conclusions cal dir que s’han assolit els objectius proposats amb èxit. S’ha aconseguit un disseny funcional i estable que actualment es troba en funcionament.

Tasehallinnan kehittäminen Suomen sähkömarkkinoilla

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia tasehallinnan kehittämismahdollisuuksia Suomessa järjestelmävastaavan näkökulmasta. Sähköjärjestelmässä tulee vallita jatkuvasti tasapaino tuotannon ja kulutuksen välillä, tämän järjestelmävastaavan vastuulla olevan tasapainon ylläpitoa kutsutaan tehotasapainon hallinnaksi. Työssä pääasiasiallinen huomio oli markkinalähtöisessä tehotasapainon hallinnan kehittämisessä. Tuotantosuunnitelmat ovat ratkaisevassa osassa sähköjärjestelmän muutoksia ennustettaessa ja suunniteltaessa. Pääasiassa tutkimus kohdistuu tuotantosuunnitelmien tarkentamisen mahdollisuuksien analysointiin sekä tarkentamisesta aiheutuvien muutosten selvittämiseen. Työn yhteydessä toteutettiin sopivalla otannalla kyselytutkimus, jonka oli tarkoitus antaa tietoa Eurooppalaisista käytännöistä asian suhteen. Tutkimusten pohjalta päädyttiin malliin, jossa tuotantosuunnitelmien jaksonpituutta lyhennettäisiin nykyisestä 60 minuutista 15 minuuttiin. 15 minuutin jaksonpituus ulottuisi koko tuotantotaseen käsittelyyn, mukaan lukien säätösähkömarkkinat ja muut tehokaupat.

Aurinkopaneeleihin liitettävien vaihtosuuntaajien testaussuunnitelman laadinta ja toteutus

Aurinkoenergia on yksi monista uusiutuvan energian muodoista, joiden suosio on viimeisten vuosien aikana kasvanut fossiilisten polttoaineiden kallistumisen sekä ilmaston lämpenemisen vuoksi. Auringon säteilyn energiaa voidaan muuttaa sähköenergiaksi mm. aurinkopaneeleiden avulla. Aurinkopaneeleihin liitetään usein vaihtosuuntaaja, jolla tuotettu teho voidaan muokata sähköverkkoon tai kotitalouden sähköjärjestelmään sopivaksi. Tässä työssä on esitelty aurinkopaneelilla tuotettavan sähköenergian perusperiaatteet sekä tehoa tuottavan järjestelmän reunaehdot. Tutkimuksessa on perehdytty keskeisiin, aurinkopaneeleihin liitettäville vaihtosuuntaajille laadittuihin standardeihin, hyötysuhteen mittaamisen sekä sähkön laadun näkökulmista. Selvityksen avulla järjestelmän hyötysuhteen sekä lähtötehon laadun määrittämiseksi voidaan laatia standardien mukainen mittaussuunnitelma vaihtosuuntaajan nimellistehosta riippumatta. Standardien avulla on laadittu mittaussuunnitelma Global Inversonne, 100 kW - verkkovaihtosuuntaajayksikölle. Suunnitelman mukaisissa mittauksissa on tutkittu yksikön muunnoshyötysuhdetta sekä lähtöjännitteen- ja virran laatua. Lisäksi työssä on analysoitu mittaustulosten mittausepävarmuuksia ja niitä aiheuttavia tekijöitä.

Reaaliaikaisen PMU-mittaustiedon hyödyntäminen voimajärjestelmän valvonnassa

Tämä työ on tehty Fingrid Oyj:lle. Työn tavoitteena oli tutkia, miten reaaliaikaista PMU-mittaustietoa voidaan hyödyntää voimajärjestelmän valvonnassa. Voimajärjestelmän dynaamisia ilmiöitä ovat jännite- ja kulmastabiilius. Työssä tutkittiin voimajärjestelmän kulmastabiiliutta PSS/E-ohjelmalla simuloitujen mittaustulosten perusteella. Fouriermuunnoksen tulokset osoittavat, että huonoiten vaimeneva taajuuskomponentti on 0,3 Hz taajuus. Lisäksi tiedetään, että huonosti vaimeneva taajuuskomponentti rajoittaa siirtokapasiteettia. Voimajärjestelmän stabiiliutta voidaan esittää Wide Area Monitoring -järjestelmien (WAMS) avulla. WAMS perustuu Phasor Measurement -laitteen (PMU) reaaliaikaiseen mittaustekniikkaan. Jännitteen vaihekulman mittaaminen mahdollistaa voimajärjestelmän tilan määrittämisen reaaliajassa. Työssä on esitelty Fingridin käytössä oleva WAMS ja lisäksi esitelty kolmen eri laitetoimittajan WAMS:n rakennetta ja operaattorin käyttöön tarkoitettuja käyttöliittymiä. WAMS:n rakenteet ovat pääpiirteittäin samanlaisia, mutta stabiiliuden visuaalisessa esittämisessä on eroja. PMU -mittaustietoja on mahdollista tuoda käytönvalvontajärjestelmään erillisellä tiedonsiirtoprotokollalla. PMU-mittaustiedon hyödyntäminen käytönvalvontajärjestelmän toimintaaluenäytöllä mahdollistaa verkon tilan esittämisen reaaliajassa. Roottorin kulmastabiilius esitetään Fingridin käytönvalvontajärjestelmässä vaihekulmaerojen avulla ja työssä on esitetty, kuinka vaihekulmaeron arvolla on vaikutus tehonsiirtoon. Vaihekulmaeron arvo kuvaa vian jälkeisen tehoheilahtelun voimakkuutta. PMU-mittaustiedon esittäminen antaa operaattorille selkeämmän kuvan ylläpitää tehonsiirto turvallisella tasolla ja epästabiilin heilahtelun havainnoiminen vähentää suurhäiriön riskiä. Tulevaisuudessa siirtoverkon kehittyessä tarvitaan operaattorin käyttöön myös nopeita stabiilisuutta esittäviä työkaluja.

Active inverter output filtering methods

Frequency converters are widely used in the industry to enable better controllability and efficiency of variable speed AC motor drives. Despite these advantages, certain challenges concerning the inverter and motor interfacing have been present for decades. As insulated gate bipolar transistors entered the market, the inverter output voltage transition rate significantly increased compared with their predecessors. Inverters operate based on pulse width modulation of the output voltage, and the steep voltage edge fed by the inverter produces a motor terminal overvoltage. The overvoltage causes extra stress to the motor insulation, which may lead to a prematuremotor failure. The overvoltage is not generated by the inverter alone, but also by the sum effect of the motor cable length and the impedance mismatch between the cable and the motor. Many solutions have been shown to limit the overvoltage, and the mainstream products focus on passive filters. This doctoral thesis studies an alternative methodology for motor overvoltage reduction. The focus is on minimization of the passive filter dimensions, physical and electrical, or better yet, on operation without any filter. This is achieved by additional inverter control and modulation. The studied methods are implemented on different inverter topologies, varying in nominal voltage and current.For two-level inverters, the studied method is termed active du/dt. It consists of a small output LC filter, which is controlled by an independent modulator. The overvoltage is limited by a reduced voltage transition rate. For multilevel inverters, an overvoltage mitigation method operating without a passive filter, called edge modulation, is implemented. The method uses the capability of the inverter to produce two switching operations in the same direction to cancel the oscillating voltages of opposite phases. For parallel inverters, two methods are studied. They are both intended for two-level inverters, but the first uses individual motor cables from each inverter while the other topology applies output inductors. The overvoltage is reduced by interleaving the switching operations to produce a similar oscillation accumulation as with the edge modulation. The implementation of these methods is discussed in detail, and the necessary modifications to the control system of the inverter are presented. Each method is experimentally verified by operating industrial frequency converters with the modified control. All the methods are found feasible, and they provide sufficient overvoltage protection. The limitations and challenges brought about by the methods are discussed.

Tunninsisäinen tehotasapaino Suomessa 2020 ja 2030

Sähkön tuotannon ja kulutuksen välillä tulee vallita tasapaino joka hetki. Tunninsisäinen tehotasapainon hallinta on kantaverkkoyhtiön vastuulla, ja se tehdään säätöresurssein. Tässä työssä tarkastellaan tunninsisäistä tehotasapainon hallintaa Suomessa 2020-luvun alussa ja loppupuolella. Työn tarkoituksena on arvioida, riittävätkö nykytilanteen mukaiset säätöresurssit kattamaan tulevat säätötarpeet ja kuinka suuria säätövajeita, eli erotuksia markkinaehtoisen säätökyvyn ja säätötarpeen välillä, mahdollisesti esiintyy. Tehotasapainon hallintaa tarkastellaan tarkemmin kuudessa esimerkki-markkinatilanteessa. Tilanteet ajoittuvat tällä hetkellä tehotasapainon hallinnan kannalta hankaliin ajankohtiin, kevään tulva-ajalle, kesän lomakaudelle ja talven huippukuormitustilanteeseen. Tarkastelutilanteiden avulla pyritäänkin selvittämään hankalimmat tilanteet, joita tehotasapainon hallinnassa 2020-luvulla voidaan kohdata. Työn tarkastelutilanteiden perusteella säätövaje voi olla suurimmillaan 200 - 1100 MW Suomessa 2020-luvulla. Tämä työ vastaa myös siihen, mitä tulisi tehdä, jotta selvittäisiin tehotasapainon hallinnasta kaikissa tilanteissa tulevalla vuosikymmenellä.

Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Sähkön varastointi

Kiinnostus sähkön varastointia kohtaan on kasvussa. Nykypäivänä ja etenkin tulevaisuudessa sähkövarastoilla voidaan parantaa energiantuotannon resurssitehokkuutta ja tukea aurinko- ja tuulisähkön käytön lisäämistä. Sähkövarastoja on pieniä ja suuria. On olemassa mekaanisia, sähkökemiallisia, kemiallisia ja sähköisiä varastoteknologioita. Varastoitua energiaa voidaan käyttää eri tehtävissä. Tehtävät vaihtelevat varastoidun energian määrässä ja siinä, millä teholla energia voidaan purkaa varastosta. Suurilla sähkövarastoilla taataan sähköntoimitus ja pienillä parannetaan sähkön laatua jakeluverkossa. Sähkövarastoja ei ole vielä laajasti otettu käyttöön, koska ne ovat kalliita. Sähkövaraston investointikustannukset ovat tällä hetkellä vähintään yhtä suuret kuin samankokoisen perinteisen voimalaitoksen. Sähkövarastojen tutkimus ja kehitys pienentää investointikustannuksia ja nopeuttaa varastojen laajempaa käyttöönottoa.

Aurinkosähkön taloudellinen kannattavuus erikoiskohteessa

Aurinkosähköjärjestelmät ovat yleistyneet viime vuosien aikana niin kotitalouksissa kuin julkisissa rakennuksissakin aurinkopaneeleiden suopean hintakehityksen myötä. Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan aurinkosähköjärjestelmän kannattavuutta erikoiskohteessa Lapissa Tervolan kunnan alueella sijaitsevalla huoltoasemalla. Työssä aurinkosähköntuotannon ajoittumista kulutuksen suhteen lähdetään selvittämään vertailemalla simuloinnin avulla saatuja tuotantoennusteita huoltoaseman sähkönkulutusprofiiliin. Sähkönkulutusprofiilin tiedot perustuvat etäluettavan mittarin tuntikulutus mittauksiin. Investoinnin kannattavuutta tarkastellaan takaisinmaksuajan mukaan simuloinnista saatujen tuotantoennusteiden ja muiden takaisinmaksuaikaan vaikuttavien parametrien avulla. Lopuksi takaisinmaksuaikaa tarkastellaan vielä herkkyysanalyysien avulla.

Households’ willingness to engage in demand response in the Finnish retail electricity market: an empirical study

If electricity users adjusted their consumption patterns according to time-variable electricity prices or other signals about the state of the power system, generation and network assets could be used more efficiently, and matching intermittent renewable power generation with electricity demand would be facilitated. This kind of adjustment of electricity consumption, or demand response, may be based on consumers’ decisions to shift or reduce electricity use in response to time-variable electricity prices or on the remote control of consumers’ electric appliances. However, while demand response is suggested as a solution to many issues in power systems, actual experiences from demand response programs with residential customers are mainly limited to short pilots with a small number of voluntary participants, and information about what kinds of changes consumers are willing and able to make and what motivates these changes is scarce. This doctoral dissertation contributes to the knowledge about what kinds of factors impact on residential consumers’ willingness and ability to take part in demand response. Saving opportunities calculated with actual price data from the Finnish retail electricity market are compared with the occurred supplier switching to generate a first estimate about how large savings could trigger action also in the case of demand response. Residential consumers’ motives to participate in demand response are also studied by a web-based survey with 2103 responses. Further, experiences of households with electricity consumption monitoring systems are discussed to increase knowledge about consumers’ interest in getting more information on their electricity use and adjusting their behavior based on it. Impacts of information on willingness to participate in demand response programs are also approached by a survey for experts of their willingness to engage in demand response activities. Residential customers seem ready to allow remote control of electric appliances that does not require changes in their everyday routines. Based on residents’ own activity, the electricity consuming activities that are considered shiftable are very limited. In both cases, the savings in electricity costs required to allow remote control or to engage in demand response activities are relatively high. Nonmonetary incentives appeal to fewer households.

Aurinkosähköjärjestelmä pientaloon

Tässä kandidaatintyössä selvitetään aurinkosähköjärjestelmän rakentamisen kannattavuutta, teknisiä ratkaisuja sekä vaatimuksia pientaloon. Tutkimus suoritetaan tarkasteltavaan kiinteistöön aurinkosähköjärjestelmän teknisten ratkaisumahdollisuuksien sekä taloudellisesti kannattavimman mallin löytämiseksi. Työssä käydään läpi järjestelmän teknisten komponenttien rakennetta ja ominaisuuksia, niille määriteltyjä vaatimuksia sekä hintaa. Työssä myös simuloidaan eri voimalakokonaisuuksien tuotantoa voimalan koon optimoimiseksi kohteelle. Saatujen tulosten perusteella voimalan hankkiminen on vielä kallista ja takaisinmaksuajat pitkiä johtuen järjestelmän kalliista hinnasta. Tulevaisuudessa aurinkosähkö tulee olemaan kannattava investointi samalla, kun yhä enenevissä määrin energistyvässä maailmassa luovutaan fossiilisista polttoaineista niiden ympäristövaikutusten ja resurssien puutteen vuoksi. Aurinkosähkö on yksi potentiaalisista korvaajista tulevaisuudessa ja voimme odottaa järjestelmien hintojen laskevan kilpailun lisääntyessä. Myös valtion tuki tulevaisuudessa on mahdollinen pientuottajillekin.