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.

Performance of small wind turbines: simulation of electricity supply to loads connected to the public or isolated grid

ABSTRACT The successful in the implementation of wind turbines depends on several factors, including: the wind resource at the installation site, the equipment used, project acquisition and operational costs. In this paper, the production of electricity from two small wind turbines was compared through simulation using the computer software HOMER - a national model of 6kW and an imported one of 5kW. The wind resources in three different cities were considered: Campinas (SP/BR), Cubatão (São Paulo/BR) and Roscoe (Texas/ USA). A wind power system connected to the grid and a wind isolated system - batteries were evaluated. The results showed that the energy cost ($/kWh) is strongly dependent on the windmill characteristics and local wind resource. Regarding the isolated wind system – batteries, the full supply guarantee to the simulated electrical load is only achieved with a battery bank with many units and high number of wind turbines, due to the intermittency of wind power.

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.

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.

Reinforcement Learning Solution for Unit Commitment Problem Considering Minimum Start Up and Shut Down Times

Unit Commitment Problem (UCP) in power system refers to the problem of determining the on/ off status of generating units that minimize the operating cost during a given time horizon. Since various system and generation constraints are to be satisfied while finding the optimum schedule, UCP turns to be a constrained optimization problem in power system scheduling. Numerical solutions developed are limited for small systems and heuristic methodologies find difficulty in handling stochastic cost functions associated with practical systems. This paper models Unit Commitment as a multi stage decision making task and an efficient Reinforcement Learning solution is formulated considering minimum up time /down time constraints. The correctness and efficiency of the developed solutions are verified for standard test systems

Erneuerbare Energien im Verbund mit Hochleistungs-Bleiakkumulatoren zur Bereitstellung von Spitzenleistung - am Beispiel von Windkraftwerken im 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL / Luxemburg -

Die wachsende Weltbevölkerung bedingt einen höheren Energiebedarf, dies jedoch unter der Beachtung der nachhaltigen Entwicklung. Die derzeitige zentrale Versorgung mit elektrischer Energie wird durch wenige Erzeugungsanlagen auf der Basis von fossilen Primärenergieträgern und Kernenergie bestimmt, die die räumlich verteilten Verbraucher zuverlässig und wirtschaftlich über ein strukturiertes Versorgungssystem beliefert. In den Elektrizitätsversorgungsnetzen sind keine nennenswerten Speicherkapazitäten vorhanden, deshalb muss die von den Verbrauchern angeforderte Energie resp. Leistung jederzeit von den Kraftwerken gedeckt werden. Bedingt durch die Liberalisierung der Energiemärkte und die geforderte Verringerung der Energieabhängigkeit Luxemburgs, unterliegt die Versorgung einem Wandel hin zu mehr Energieeffizienz und erhöhter Nutzung der dargebotsabhängigen Energiequellen. Die Speicherung der aus der Windkraft erzeugten elektrischen Energie, wird in den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren, errichtet im ländlichen Raum in der Nähe der Windkraftwerke, eingespeichert. Die zeitversetzte Einspeisung dieser gespeicherten elektrischen Energie in Form von veredelter elektrischer Leistung während den Lastspitzen in das 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL stellt die Innovation in der luxemburgischen Elektrizitätsversorgung dar. Die Betrachtungen beschränken sich somit auf die regionale, relativ kleinräumige Einbindung der Windkraft in die elektrische Energieversorgung des Großherzogtums Luxemburg. Die Integration der Windkraft im Regionalbereich wird in den Vordergrund der Untersuchung gerückt. Überregionale Ausgleichseffekte durch Hochspannungsleitungen der 230/400 kV-Systeme werden außer Acht gelassen. Durch die verbrauchernahe Bereitstellung von elektrischer Spitzenleistung vermindern sich ebenfalls die Übertragungskosten aus den entfernten Spitzenlastkraftwerken, der Ausbau von Kraftwerkskapazitäten kann in die Zukunft verschoben werden. Die Emission von Treibhausgasen in thermischen Kraftwerken wird zum Teil reduziert. Die Berechnungen der Wirtschaftlichkeit von Hybridanlagen, zusammengesetzt aus den Windkraftwerken und den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren bringen weitere Informationen zum Einsatz dieser dezentralen Speichern, als Partner der nachhaltigen Energieversorgung im ländlichen Raum. Die untersuchte Einspeisung von erneuerbarer Spitzenleistung lässt sich auch in die Entwicklungsländer übertragen, welche nicht über zentrale Kraftwerkskapazitäten und Verteilungsnetze verfügen.

Wind generation's contribution to supporting peak electricity demand: meteorological insights

Wind generation’s contribution to meeting extreme peaks in electricity demand is a key concern for the integration of wind power. In Great Britain (GB), robustly assessing this contribution directly from power system data (i.e. metered wind-supply and electricity demand) is difficult as extreme peaks occur infrequently (by definition) and measurement records are both short and inhomogeneous. Atmospheric circulation-typing combined with meteorological reanalysis data is proposed as a means to address some of these difficulties, motivated by a case study of the extreme peak demand events in January 2010. A preliminary investigation of the physical and statistical properties of these circulation types suggests that they can be used to identify the conditions that are most likely to be associated with extreme peak demand events. Three broad cases are highlighted as requiring further investigation. The high-over-Britain anticyclone is found to be generally associated with very low winds but relatively moderate temperatures (and therefore moderate peak demands, somewhat in contrast to the classic low-wind cold snap that is sometimes apparent in the literature). In contrast, both longitudinally extended blocking over Scotland/Scandinavia and latitudinally extended troughs over western Europe appear to be more closely linked to the very cold GB temperatures (usually associated with extreme peak demands). In both of these latter situations, wind resource averaged across GB appears to be more moderate.

Can microgrids make a major contribution to UK energy supply?

Almost all the electricity currently produced in the UK is generated as part of a centralised power system designed around large fossil fuel or nuclear power stations. This power system is robust and reliable but the efficiency of power generation is low, resulting in large quantities of waste heat. The principal aim of this paper is to investigate an alternative concept: the energy production by small scale generators in close proximity to the energy users, integrated into microgrids. Microgrids—de-centralised electricity generation combined with on-site production of heat—bear the promise of substantial environmental benefits, brought about by a higher energy efficiency and by facilitating the integration of renewable sources such as photovoltaic arrays or wind turbines. By virtue of good match between generation and load, microgrids have a low impact on the electricity network, despite a potentially significant level of generation by intermittent energy sources. The paper discusses the technical and economic issues associated with this novel concept, giving an overview of the generator technologies, the current regulatory framework in the UK, and the barriers that have to be overcome if microgrids are to make a major contribution to the UK energy supply. The focus of this study is a microgrid of domestic users powered by small Combined Heat and Power generators and photovoltaics. Focusing on the energy balance between the generation and load, it is found that the optimum combination of the generators in the microgrid- consisting of around 1.4 kWp PV array per household and 45% household ownership of micro-CHP generators- will maintain energy balance on a yearly basis if supplemented by energy storage of 2.7 kWh per household. We find that there is no fundamental technological reason why microgrids cannot contribute an appreciable part of the UK energy demand. Indeed, an estimate of cost indicates that the microgrids considered in this study would supply electricity at a cost comparable with the present electricity supply if the current support mechanisms for photovoltaics were maintained. Combining photovoltaics and micro-CHP and a small battery requirement gives a microgrid that is independent of the national electricity network. In the short term, this has particular benefits for remote communities but more wide-ranging possibilities open up in the medium to long term. Microgrids could meet the need to replace current generation nuclear and coal fired power stations, greatly reducing the demand on the transmission and distribution network.

Privatisation and cross-border electricity trade: from internal market to European Supergrid?

he perspective European Supergrid would consist of an integrated power system network, where electricity demands from one country could be met by generation from another country. This paper makes use of a bi-linear fixed-effects model to analyse the determinants for trading electricity across borders among 34 countries connected by the European Supergrid. The key question that this paper aims to address is the extent to which the privatisation of European electricity markets has brought about higher cross-border trade of electricity. The analysis makes use of distance, price ratios, gate closure times, size of peaks and aggregate demand as standard determinants. Controlling for other standard determinants, it is concluded that privatisation in most cases led to higher power exchange and that the benefits are more significant where privatisation measures have been in place for a longer period.

Challenges in quantifying wind generation's contribution to securing peak demand

Wind generation's contribution to supporting peak electricity demand is one of the key questions in wind integration studies. Differently from conventional units, the available outputs of different wind farms cannot be approximated as being statistically independent, and hence near-zero wind output is possible across an entire power system. This paper will review the risk model structures currently used to assess wind's capacity value, along with discussion of the resulting data requirements. A central theme is the benefits from performing statistical estimation of the joint distribution for demand and available wind capacity, focusing attention on uncertainties due to limited histories of wind and demand data; examination of Great Britain data from the last 25 years shows that the data requirements are greater than generally thought. A discussion is therefore presented into how analysis of the types of weather system which have historically driven extreme electricity demands can help to deliver robust insights into wind's contribution to supporting demand, even in the face of such data limitations. The role of the form of the probability distribution for available conventional capacity in driving wind capacity credit results is also discussed.