Suljetun sähkönjakeluverkon regulaatio teollisuusympäristössä

Tässä työssä tutkitaan suljetun jakeluverkon regulaatiota yhden suomalaisen teollisuussähköverkon näkökulmasta ja sitä verrataan olemassa olevaan energiaviraston jakeluverkkoja koskevaan säätelymalliin. Työssä tutkitaan verkkoyhtiön kehittämän säätelymallin toimivuutta ja sitä kuinka se täyttää hyvän valvontamallin ominaispiirteet. Tässä työssä ei ole tarkoituksena esittää uutta valvontamallia, vaan tutkia ja arvioida olemassa olevia malleja. Työssä käydään läpi olemassa oleva kolmannen valvontajakson regulaatiomalli sekä muutokset, joita on esitetty tuleville valvontakausille. Työssä taustoitetaan valvontatoimintaa myös yleisen talousteorian ja valvontateorioiden avulla. Tämän taustoituksen avulla tarkastellaan teollisuussähköverkkojen erityisiä ominaisuuksia ja edelleen tutkitun teollisuussähköverkon korkeita käyttövaatimuksia ja syitä tällaisille vaatimuksille. Verkkoyhtiön käyttämä tariffimalli kuvataan myös sen liittyessä sääntelyyn saumattomasti. Työssä todistettiin mallin toimivuus tämän kaltaisessa toimintaympäristössä, jossa käyntivarmuusvaatimus on erittäin korkea. Havainnoissa myös korostuu mallin pitkäjänteisyys ja ennustettavuus. Laskentaesimerkkien avulla arvioidaan liittymähinnoittelun kohtuullisuutta asiakkaalle ja mallin toimivuutta yleensä. Näissä tarkasteluissa havaittiin, että yleisellä tasolla liittymähinnoittelu on kohtuullista asiakkaalle ja se mahdollistaa asiakkaan pääomien tehokkaamman käytön kuin ilman verkkoyhtiötä. Kehittämiskohteina tuodaan esille keskeytyksistä aiheutuvien haittojen käsittely ja se, ettei tällaiseen verkkoympäristöön ole tällä hetkellä toimivaa mittaria, jolla voitaisiin arvioida kuinka hyvin verkkoyhtiö toimii.

Modelling of changes in electricity end-use and their impacts on electricity distribution

The electricity distribution sector will face significant changes in the future. Increasing reliability demands will call for major network investments. At the same time, electricity end-use is undergoing profound changes. The changes include future energy technologies and other advances in the field. New technologies such as microgeneration and electric vehicles will have different kinds of impacts on electricity distribution network loads. In addition, smart metering provides more accurate electricity consumption data and opportunities to develop sophisticated load modelling and forecasting approaches. Thus, there are both demands and opportunities to develop a new type of long-term forecasting methodology for electricity distribution. The work concentrates on the technical and economic perspectives of electricity distribution. The doctoral dissertation proposes a methodology to forecast electricity consumption in the distribution networks. The forecasting process consists of a spatial analysis, clustering, end-use modelling, scenarios and simulation methods, and the load forecasts are based on the application of automatic meter reading (AMR) data. The developed long-term forecasting process produces power-based load forecasts. By applying these results, it is possible to forecast the impacts of changes on electrical energy in the network, and further, on the distribution system operator’s revenue. These results are applicable to distribution network and business planning. This doctoral dissertation includes a case study, which tests the forecasting process in practice. For the case study, the most prominent future energy technologies are chosen, and their impacts on the electrical energy and power on the network are analysed. The most relevant topics related to changes in the operating environment, namely energy efficiency, microgeneration, electric vehicles, energy storages and demand response, are discussed in more detail. The study shows that changes in electricity end-use may have radical impacts both on electrical energy and power in the distribution networks and on the distribution revenue. These changes will probably pose challenges for distribution system operators. The study suggests solutions for the distribution system operators on how they can prepare for the changing conditions. It is concluded that a new type of load forecasting methodology is needed, because the previous methods are no longer able to produce adequate forecasts.

Lämminvesivaraajan ohjaus automaatiolla aurinkosähköä tuottavassa kotitaloudessa

Hajautettu sähköntuotanto aurinkopaneeleilla on Suomessa kasvussa. Kotitalouksiin asennettujen aurinkopaneelijärjestelmien määrä kasvaa jatkuvasti, mutta suuri osa tuotetusta sähköenergiasta syötetään sähköverkkoon. Tämä johtuu aurinkosähkön tuotannon painottumisesta kesäpäiviin, jolloin kotitalouksien kulutus on pienimmillään. Suurin hyöty itse tuotetusta energiasta saadaan kuitenkin käyttämällä se tuotantokohteessa, jolla minimoidaan energiansiirto sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa. Siirtämällä kotitalouden suurimpia kuormia aurinkosähkön mukaan ohjatuksi, voidaan saavuttaa merkittäviä parannuksia tuotetun sähkön omakäyttöasteessa. Helpoimmillaan tämä onnistuu kellokytkimellä, joka ajoittaa kulutuksen parhaimman tuotannon ajalle. Tämä ei kuitenkaan poista ongelmaa tilanteissa, jossa aurinkosähkön tuotanto on häiriintynyt esimerkiksi pilvisyyden takia aamupäivällä ja huipputuotanto saavutetaan vasta iltapäivän puolella. Saatavilla on jo useita järjestelmiä, jotka ohjaavat kodin laitteita tuotannon mukaisesti. Suuri osa näistä järjestelmistä on kuitenkin suunniteltu toimimaan vain tuotetun energiamäärän mukaisesti, ottamatta huomioon kotitaloudessa olevaa muuta, automaation piiriin kuulumatonta kulutusta. Tässä kandidaatin työssä vertaillaan sähköenergian eri mittaustapoja ja niiden vaikutusta siirretyn energian laskennalliseen määrään. Lisäksi työssä tutkitaan lämminvesivaraajan kuormanohjausta käyttäen termostaatti-, kellokytkin- ja logiikkaohjausta. Työssä esitelty logiikkaohjaus hyödyntää siirretyn energian mittausta sähköverkon ja kotitalouden rajapinnassa, ottaen automaattisesti huomioon myös talouden muun kulutuksen. Työssä esitellään myös esimerkkilaitteisto, jolla suunniteltu logiikka voidaan toteuttaa.

Power Electronic Converters in Low-Voltage Direct Current Distribution – Analysis and Implementation

Over the recent years, smart grids have received great public attention. Many proposed functionalities rely on power electronics, which play a key role in the smart grid, together with the communication network. However, “smartness” is not the driver that alone motivates the research towards distribution networks based on power electronics; the network vulnerability to natural hazards has resulted in tightening requirements for the supply security, set both by electricity end-users and authorities. Because of the favorable price development and advancements in the field, direct current (DC) distribution has become an attractive alternative for distribution networks. In this doctoral dissertation, power electronic converters for a low-voltage DC (LVDC) distribution system are investigated. These include the rectifier located at the beginning of the LVDC network and the customer-end inverter (CEI) on the customer premises. Rectifier topologies are introduced, and according to the LVDC system requirements, topologies are chosen for the analysis. Similarly, suitable CEI topologies are addressed and selected for study. Application of power electronics into electricity distribution poses some new challenges. Because the electricity end-user is supplied with the CEI, it is responsible for the end-user voltage quality, but it also has to be able to supply adequate current in all operating conditions, including a short-circuit, to ensure the electrical safety. Supplying short-circuit current with power electronics requires additional measures, and therefore, the short-circuit behavior is described and methods to overcome the high-current supply to the fault are proposed. Power electronic converters also produce common-mode (CM) and radio-frequency (RF) electromagnetic interferences (EMI), which are not present in AC distribution. Hence, their magnitudes are investigated. To enable comprehensive research on the LVDC distribution field, a research site was built into a public low-voltage distribution network. The implementation was a joint task by the LVDC research team of Lappeenranta University of Technology and a power company Suur-Savon S¨ahk¨o Oy. Now, the measurements could be conducted in an actual environment. This is important especially for the EMI studies. The main results of the work concern the short-circuit operation of the CEI and the EMI issues. The applicability of the power electronic converters to electricity distribution is demonstrated, and suggestions for future research are proposed.

Sähkön siirtohinnat Suomessa 2015

Tässä kandidaatintyössä selvitetään kirjallisuustutkimuksena sähkön yleissiirtohinnat Suomessa vuonna 2015. Työssä vertaillaan sähkön siirtohintoja erilaisilla kotitalouskuluttajilla ja tutkitaan sähkönsiirron hinnoitteluun vaikuttavia tekijöitä. Työssä esitetään myös tulevaisuudessa mahdollisesti käytettäviä siirtotariffeja. Työ tuo esiin sähkön siirtohinnan komponenttien osuudet sähkönsiirron kokonaishinnasta, sekä havainnollistaa visuaalisesti komponenttien maantieteellistä vaihtelua. Siirtomaksujen vaihtelua erilaisilla kulutuksilla havainnollistetaan käyttämällä kolmea esimerkkikuluttajaa, sekä vertailemalla esimerkkikuluttajien siirtomaksuja keskenään. Siirtomaksujen kokonaiskustannusten maantieteellistä vaihtelua havainnollistetaan kuvien avulla. Energiaviraston regulaation vaikutuksia siirtohintaan tarkastellaan verkkoyhtiöiden yli- ja alijäämien avulla. Tulevaisuuden siirtotariffeista huomio kiinnittyy kaistahinnoitteluun. Kaistahinnoittelua tarkastellaan kuluttajan kannalta ja samalla tuodaan esiin kaistahinnoittelun etuja nykyisin käytössä oleviin siirtotariffeihin. Työn perusteella voidaan tehdä johtopäätös, että sähkön kulutuksen kasvaessa siirtomaksu kulutettua energiayksikköä kohden pienenee. Toisin sanoen perusmaksun osuus on merkittävä pienillä kulutusmäärillä ja sen suhteellinen osuus siirtomaksuista pienenee kulutuksen kasvaessa.

Aurinkovoimalaitoksen mitoittaminen suunnitteilla olevaan kerrostaloon

Aurinkopaneelien ja inverttereiden hinnat ovat laskeneet viime vuosina, joten au-rinkosähköstä on tullut kannattava sähköntuotantomuoto kiinteistöille. Tässä kandidaatintyössä kerrotaan, kuinka arvioida suunnitteilla olevan rakennuksen peruskuormaa aurinkopaneeleiden asennuksen näkökulmasta. Voimalaitoksen sijoituskohde sijaitsee Järvenpäässä. Kohteessa on 69 huoneistoa 8 kerroksessa ja yhteiset tilat 9. kerroksessa. Voimalaitoksen kannattavuutta tutkitaan simuloimalla tuotantoja ja arvioimalla kulutusta. Tuotantoja simuloidaan HOMER-ohjelmistolla. Rakennuksen kulutusta arvioidaan suunnittelijoilta saatujen tietojen perusteella, ja vanhempien samankaltaisten kohteiden kulutusten perusteella, jotka saadaan Nuuka-portaalista. Saaduista tuloksista huomataan, että nykyisillä sähkönhinnoilla aurinkopaneelit ovat kannattava investointi, vaikka sähköä tuotettaisiin hieman ylimääräistä, joten paneelit voidaan mitoittaa hieman kulutusta suuremmaksi. Takaisinmaksuaika on noin 20 vuotta. Tulokset ovat linjassa vanhempien tutkimusten kanssa. Tuloksista huomataan, myös että paneeleita jakamalla eri ilmansuuntiin saadaan tuotannon huipputeho pienemmäksi ja samalla tuotanto jakautumaan laajemmalle ajanjaksolle. Paneelien hintojen laskettua on kannattavaa asentaa paneeleja epäedullisempiin suuntiin, täten saadaan tuotantoa ajoitettua mahdollisesti paremmin kulutus-ta vastaavaksi. Mitoituksen voi tarkistaa rakennuksen valmistuttua, sillä raken-nuksesta tullaan mittaamaan paneeleiden tuottama sähkö ja kohteen kiinteistösähkönkulutus.

Dynamic Modelling of Circulating Fluidized Bed Plant with Gas Turbine Repowering

Increasing amount of renewable energy source based electricity production has set high load control requirements for power grid balance markets. The essential grid balance between electricity consumption and generation is currently hard to achieve economically with new-generation solutions. Therefore conventional combustion power generation will be examined in this thesis as a solution to the foregoing issue. Circulating fluidized bed (CFB) technology is known to have sufficient scale to acts as a large grid balancing unit. Although the load change rate of the CFB unit is known to be moderately high, supplementary repowering solution will be evaluated in this thesis for load change maximization. The repowering heat duty is delivered to the CFB feed water preheating section by smaller gas turbine (GT) unit. Consequently, steam extraction preheating may be decreased and large amount of the gas turbine exhaust heat may be utilized in the CFB process to reach maximum plant electrical efficiency. Earlier study of the repowering has focused on the efficiency improvements and retrofitting to maximize plant electrical output. This study however presents the CFB load change improvement possibilities achieved with supplementary GT heat. The repowering study is prefaced with literature and theory review for both of the processes to maximize accuracy of the research. Both dynamic and steady-state simulations accomplished with APROS simulation tool will be used to evaluate repowering effects to the CFB unit operation. Eventually, a conceptual level analysis is completed to compare repowered plant performance to the state-of-the-art CFB performance. Based on the performed simulations, considerably good improvements to the CFB process parameters are achieved with repowering. Consequently, the results show possibilities to higher ramp rate values achieved with repowered CFB technology. This enables better plant suitability to the grid balance markets.

Loistehon kompensoinnin ja yliaaltosuodattimien nykytila sekä kehityskohteet Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtaalla

Tutkimuksessa käsitelty kemikaalitehdas on 110 kV:n kantaverkkoon liittyvä tehointensiivinen teollisuuslaitos. Prosessien käyttöön mukautetut sähkönjakeluverkon yliaaltosuodattimet ja niiden käyttökytkennät ovat tärkeässä asemassa loistehon tuoton hallitsemiseksi liittymän loistehoikkunaan ja riittävän yliaaltosuodatuksen järjestämiseksi häviöt minimoiden. Kohteena olleen kemikaalitehtaan sähkönjakeluverkon kompensointia ja yliaaltosuodatusta on viimeksi tutkittu vuonna 2003. Tämän jälkeen verkostokomponentit ovat ikääntyneet, prosessien käyttö sekä pienjänniteverkko ovat muuttuneet ja tehdasta käyttävät osittain eri henkilöt. Nykytilaselvitykselle ja verkon kehityskohteiden analysoinnille on tullut tarve edellisen selvityksen jatkoksi. Tutkimus painottuu vahvasti kenttämittauksiin, joiden perusteella sekä kirjallisuutta ja tehtaan järjestelmiä hyödyntäen määritetään loistehotasot verkon keskeisimmissä kohteissa pien-, keski- ja suurjännitetasoilla. Tutkimuksessa esitetään lipeätehtaan suotimien uudelleenjärjestely 4. yliaallon vähentämiseksi ja yksikkökoon pienentämiseksi. Kantaverkon liittymäpisteen tilanne oli hyväksyttävä. Tutkimus esittää pienjännitekompensointia KF-4-100 keskukseen varayhteyden kapasiteettia lisäten. Tutkimus tuotti yleistietoutta verkon käytöstä ja selvitti parhaat käyttökytkennät loistehoikkunan hallitsemiseksi ilman loistehokustannuksia.

Investigation of the applicability of LVDC microgrids in utility distribution in Russia

The research towards efficient, reliable and environmental-friendly power supply solutions is producing growing interest to the “Smart Grid” approach for the development of the electricity networks and managing the increasing energy consumption. One of the novel approaches is an LVDC microgrid. The purpose of the research is to analyze the possibilities for the implementation of LVDC microgrids in public distribution networks in Russia. The research contains the analysis of the modern Russian electric power industry, electricity market, electricity distribution business, regulatory framework and standardization, related to the implementation of LVDC microgrid concept. For the purpose of the economic feasibility estimation, a theoretical case study for comparing low voltage AC and medium voltage AC with LVDC microgrid solutions for a small settlement in Russia is presented. The results of the market and regulatory framework analysis along with the economic comparison of AC and DC solutions show that implementation of the LVDC microgrid concept in Russia is possible and can be economically feasible. From the electric power industry and regulatory framework point of view, there are no serious obstacles for the LVDC microgrids in Russian distribution networks. However, the most suitable use cases at the moment are expected to be found in the electrification of remote settlements, which are isolated from the Unified Energy System of Russia.

Repertory grid adaptations in detecting connotative trends and social behaviour problems in education

Please consult the paper edition of this thesis to read. It is available on the 5th Floor of the Library at Call Number: Z 9999 E38 K66 1983

A Study on Variations in Industrial Electricity Tariff & Regulatory Intervention in kerala State

Department of Applied Economics, Cochin University of Science and Technology

Modelling and simulation of a photovoltaic fuel cell hybrid system

A stand-alone power system is an autonomous system that supplies electricity to the user load without being connected to the electric grid. This kind of decentralized system is frequently located in remote and inaccessible areas. It is essential for about one third of the world population which are living in developed or isolated regions and have no access to an electricity utility grid. The most people live in remote and rural areas, with low population density, lacking even the basic infrastructure. The utility grid extension to these locations is not a cost effective option and sometimes technically not feasible. The purpose of this thesis is the modelling and simulation of a stand-alone hybrid power system, referred to as “hydrogen Photovoltaic-Fuel Cell (PVFC) hybrid system”. It couples a photovoltaic generator (PV), an alkaline water electrolyser, a storage gas tank, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and power conditioning units (PCU) to give different system topologies. The system is intended to be an environmentally friendly solution since it tries maximising the use of a renewable energy source. Electricity is produced by a PV generator to meet the requirements of a user load. Whenever there is enough solar radiation, the user load can be powered totally by the PV electricity. During periods of low solar radiation, auxiliary electricity is required. An alkaline high pressure water electrolyser is powered by the excess energy from the PV generator to produce hydrogen and oxygen at a pressure of maximum 30bar. Gases are stored without compression for short- (hourly or daily) and long- (seasonal) term. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell is used to keep the system’s reliability at the same level as for the conventional system while decreasing the environmental impact of the whole system. The PEM fuel cell consumes gases which are produced by an electrolyser to meet the user load demand when the PV generator energy is deficient, so that it works as an auxiliary generator. Power conditioning units are appropriate for the conversion and dispatch the energy between the components of the system. No batteries are used in this system since they represent the weakest when used in PV systems due to their need for sophisticated control and their short lifetime. The model library, ISET Alternative Power Library (ISET-APL), is designed by the Institute of Solar Energy supply Technology (ISET) and used for the simulation of the hybrid system. The physical, analytical and/or empirical equations of each component are programmed and implemented separately in this library for the simulation software program Simplorer by C++ language. The model parameters are derived from manufacturer’s performance data sheets or measurements obtained from literature. The identification and validation of the major hydrogen PVFC hybrid system component models are evaluated according to the measured data of the components, from the manufacturer’s data sheet or from actual system operation. Then, the overall system is simulated, at intervals of one hour each, by using solar radiation as the primary energy input and hydrogen as energy storage for one year operation. A comparison between different topologies, such as DC or AC coupled systems, is carried out on the basis of energy point of view at two locations with different geographical latitudes, in Kassel/Germany (Europe) and in Cairo/Egypt (North Africa). The main conclusion in this work is that the simulation method of the system study under different conditions could successfully be used to give good visualization and comparison between those topologies for the overall performance of the system. The operational performance of the system is not only depending on component efficiency but also on system design and consumption behaviour. The worst case of this system is the low efficiency of the storage subsystem made of the electrolyser, the gas storage tank, and the fuel cell as it is around 25-34% at Cairo and 29-37% at Kassel. Therefore, the research for this system should be concentrated in the subsystem components development especially the fuel cell.

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.