Accessori per sistemi in cavo nella trasmissione dell'energia elettrica in HVDC: definizione di modelli fisici per la caratterizzazione di materiali isolanti, semiconduttivi e varioresistivi

Lo studio intrapreso si è posto come obiettivo la caratterizzazione dal punto di vista elettrico dei materiali coinvolti nella realizzazione di accessori per applicazioni in HVDC, in particolare mescole isolanti, semiconduttive e varioresistive. La necessità di un lavoro di questo tipo viene giustificata dalla costante espansione dei sistemi in DC nella trasmissione dell’energia elettrica, i quali presentano caratteristiche fisiche che si differenziano sensibilmente da quelle tipiche dei tradizionali sistemi in AC, dunque richiedono componenti e materiali opportunamente progettati per garantire condizioni di servizio sicure e affidabili. L’obiettivo della trattazione consiste nello studio di analogie e differenze tra le proprietà elettriche fornite da prove su diverse configurazioni di provini, nella fattispecie di tipo piano e cilindrico cavo. In primo luogo si studiano i provini di tipo piano al fine di ricavare informazioni basilari sul materiale e sulla mescola che lo costituisce e di prendere decisioni relative al proseguimento dei test. Dopo aver effettuato un sufficiente numero di test su varie tipologie di provini piani e aver riconosciuto le mescole più performanti dal punto di vista elettrico, meccanico e termico, si procede alla realizzazione di provini cilindrici stampati, su cui si intraprendono le medesime misure effettuate per la configurazione piana. Questa seconda fase di caratterizzazione è fondamentale, in quanto consente di verificare che le proprietà già studiate su piastra si conservino in una geometria molto più simile a quella assunta dal prodotto finale evitando di sostenere costi onerosi per la produzione di un accessorio full-size. Il lavoro è stato svolto nel laboratorio elettrico di alta tensione della divisione R&D del gruppo Prysmian di Milano, leader mondiale nella produzione di sistemi in cavo per alte e altissime tensioni.

HVDC Power Transmission Simulation for Offshore Wind System with Three-Level Converter

An integrated mathematical model for the simulation of an offshore wind system performance is presented in this paper. The mathematical model considers an offshore variable-speed turbine in deep water equipped with a permanent magnet synchronous generator using multiple point full-power clamped three-level converter, converting the energy of a variable frequency source in injected energy into the electric network with constant frequency, through a HVDC transmission submarine cable. The mathematical model for the drive train is a concentrate two mass model which incorporates the dynamic for the blades of the wind turbine, tower and generator due to the need to emulate the effects of the wind and the floating motion. Controller strategy considered is a proportional integral one. Also, pulse width modulation using space vector modulation supplemented with sliding mode is used for trigger the transistors of the converter. Finally, a case study is presented to access the system performance.

Measurement and simulation of conducted disturbances on DC power grids of a HVDC system with an active DC/DC converter

With the increasing of the distributed generation, DC microgrids have become more and more common in the electrical network. To connect devices in a microgrid, converter are necessary, but they are also source of disturbances due to their functioning. In this thesis, measurement and simulation of conducted emissions, within the frequency range 2-150kHz, of a DC/DC buck converter are studied.

numerical problems in the calculation of electric field and charge density profiles for mass impregnated non-draining hvdc cables subjected to fast polarity reversals

The goal of this simulation thesis is to present a tool for studying and eliminating various numerical problems observed while analyzing the behavior of the MIND cable during fast voltage polarity reversal. The tool is built on the MATLAB environment, where several simulations were run to achieve oscillation-free results. This thesis will add to earlier research on HVDC cables subjected to polarity reversals. Initially, the code does numerical simulations to analyze the electric field and charge density behavior of a MIND cable for certain scenarios such as before, during, and after polarity reversal. However, the primary goal is to reduce numerical oscillations from the charge density profile. The generated code is notable for its usage of the Arithmetic Mean Approach and the Non-Uniform Field Approach for filtering and minimizing oscillations even under time and temperature variations.

Models for reliability estimation of HVDC cable systems

The work carried out in this thesis aims at: - studying – in both simulative and experimental methods – the effect of electrical transients (i.e., Voltage Polarity Reversals VPRs, Temporary OverVoltages TOVs, and Superimposed Switching Impulses SSIs) on the aging phenomena in HVDC extruded cable insulations. Dielectric spectroscopy, conductivity measurements, Fourier Transform Infra-Red FTIR spectroscopy, and space charge measurements show variation in the insulating properties of the aged Cross-Linked Polyethylene XLPE specimens compared to non-aged ones. Scission in XLPE bonds and formation of aging chemical bonds is also noticed in aged insulations due to possible oxidation reactions. The aged materials show more ability to accumulate space charges compared to non-aged ones. An increase in both DC electrical conductivity and imaginary permittivity has been also noticed. - The development of life-based geometric design of HVDC cables in a detailed parametric analysis of all parameters that affect the design. Furthermore, the effect of both electrical and thermal transients on the design is also investigated. - The intrinsic thermal instability in HVDC cables and the effect of insulation characteristics on the thermal stability using a temperature and field iterative loop (using numerical methods – Finite Difference Method FDM). The dielectric loss coefficient is also calculated for DC cables and found to be less than that in AC cables. This emphasizes that the intrinsic thermal instability is critical in HVDC cables. - Fitting electrical conductivity models to the experimental measurements using both models found in the literature and modified models to find the best fit by considering the synergistic effect between field and temperature coefficients of electrical conductivity.

Analisi e caratterizzazione di isolanti elettrici nanostrutturati a base polimerica per applicazioni in sistemi HVDC

I sistemi di trasporto dell’energia elettrica per lunghe distanze possono dimostrarsi convenienti attraverso l’utilizzo di cavi in corrente continua ad alta tensione (HVDC). Essi possono essere installati seguendo la classica configurazione aerea, oppure interrati, dove le difficili condizioni ambientali, possono portare alla degradazione dei materiali. I materiali polimerici che costituiscono l’isolamento del cavo sono soggetti ad invecchiamento, diventando sempre più fragili e poco affidabili sia a seguito delle condizioni ambientali che dall’applicazione dell’alta tensione, che comporta un forte campo elettrico fra la superficie del conduttore e l’isolante esterno. Per determinare l’integrità e le caratteristiche dei materiali polimerici si utilizzano tecniche diagnostiche. Molte tecniche prevedono però la distruzione del materiale, quindi se ne cercano altre non distruttive. Questa tesi studia gli effetti dell’aggiunta di un additivo alla matrice polimerica del materiale isolante, utilizzando la tecnica di spettroscopia dielettrica, la misura di conducibilità e il metodo dell’impulso elettroacustico. I provini testati sono costituiti da una matrice di polipropilene e polipropilene additivato con nitruro di boro, testati alle temperature di 20, 40, 70°C. In particolare, il primo capitolo introduce i sistemi HVDC, per poi presentare le caratteristiche e le proprietà dei materiali nanodielettrici. Nella terza parte si descrive il set sperimentale utilizzato nelle prove condotte. Nei capitoli 4 e 5 sono riportati i risultati ottenuti e la loro discussione.

Flavoring agents present in a dentifrice can modify volatile sulphur compounds (VSCs) formation in morning bad breath

This study aimed to evaluate the effects of a flavor-containing dentifrice on the formation of volatile sulphur compounds (VSCs) in morning bad breath. A two-step, blinded, crossover, randomized study was carried out in 50 dental students with a healthy periodontium divided into two experimental groups: flavor-containing dentifrice (test) and non-flavor-containing dentifrice (control). The volunteers received the designated dentifrice and a new toothbrush for a 3 X/day brushing regimen for 2 periods of 30 days. A seven-day washout interval was used between the periods. The assessed parameters were: plaque index (PI), gingival index (GI), organoleptic breath scores (ORG), VSC levels (as measured by a portable sulphide monitor) before (H1) and after (H2) cleaning of the tongue, tongue coating (TC) wet weight and BANA test from TC samples. The intra-group analysis showed a decrease in ORG, from 3 to 2, after 30 days for the test group (p < 0.05). The inter-group analysis showed lower values in ORG, H1 and H2 for the test group (p < 0.05). There was no difference between the amount of TC between groups and the presence of flavor also did not interfere in the BANA results between groups (p > 0.05). These findings suggest that a flavor-containing dentifrice seems to prevent VSCs formation in morning bad breath regardless of the amount of TC in periodontally healthy subjects.

Fast optimum-predictive control and capacitor voltage balancing strategy for bipolar back-to-back NPC converters in high-voltage direct current transmission systems

Multilevel power converters have been introduced as the solution for high-power high-voltage switching applications where they have well-known advantages. Recently, full back-to-back connected multilevel neutral point diode clamped converters (NPC converter) have been used inhigh-voltage direct current (HVDC) transmission systems. Bipolar-connected back-to-back NPC converters have advantages in long-distance HVDCtransmission systems over the full back-to-back connection, but greater difficulty to balance the dc capacitor voltage divider on both sending and receiving end NPC converters. This study shows that power flow control and dc capacitor voltage balancing are feasible using fast optimum-predictive-based controllers in HVDC systems using bipolar back-to-back-connected five-level NPC multilevel converters. For both converter sides, the control strategytakes in account active and reactive power, which establishes ac grid currents in both ends, and guarantees the balancing of dc bus capacitor voltages inboth NPC converters. Additionally, the semiconductor switching frequency is minimised to reduce switching losses. The performance and robustness of the new fast predictive control strategy, and its capability to solve the DC capacitor voltage balancing problem of bipolar-connected back-to-back NPCconverters are evaluated.

Comprehensive comparison of a current-source and a voltage-source converter for three-phase EV fast battery chargers

This paper presents a comprehensive comparison of a current-source converter and a voltage-source converter for three-phase electric vehicle (EV) fast battery chargers. Taking into account that the current-source converter (CSC) is a natural buck-type converter, the output voltage can assume a wide range of values, which varies between zero and the maximum instantaneous value of the power grid phase-to-phase voltage. On the other hand, taking into account that the voltage-source converter (VSC) is a natural boost-type converter, the output voltage is always greater than the maximum instantaneous value of the power grid phase-to-phase voltage, and consequently, it is necessary to use a dc-dc buck-type converter for applications as EV fast battery chargers. Along the paper is described in detail the principle of operation of both the CSC and the VSC for EV fast chargers, as well as the main equations of the power theory and current control strategies. The comparison between both converters is mainly established in terms of the total harmonic distortion of the grid current and the estimated efficiency for a range of operation between 10 kW and 50 kW.

Estudio comparativo de RM perfusión en pacientes diagnosticados de hidrocefalia normotensiva con pacientes controles.

Diversos estudis han demostrat que existeix una disminució en la irrigació de la substància blanca periventricular en pacients diagnosticats d’hidrocefàlia normotensiva quan es comparen amb subjectes normals. Amb l’objectiu de demostrar aquestes troballes, pacients afectes d’aquesta patología es van sotmetre a una RM cerebral morfológica, un estudi de dinàmica de fluxe de LCR i un estudi de perfusió. Amb aquestes exploracions es va demostrar un augment en l’índex d’Evans i una disminución dels valors de VSC (Volum Sanguini Cerebral) de la substància blanca periventricular als pacients casos enfront dels controls.

Tasasähkön hyödyntämismahdollisuudet sähkönjakelussa

Tässä työssä on tutkittu tasasähkönsiirron tuomia mahdollisuuksia sähkönjakelussa, kun pienjännitedirektiivin pienjännitemäärittelyn soveltamista laajennetaan koskemaan vaihtojännitteen lisäksi myös tasajännitettä. Aiemmin tasasähköjärjestelmiä on käytetty ainoastaan sähköistymisen alkuaikoina 1900-luvun alussa. Viime vuosikymmeninä on sähkönjakelussa käytetty pelkästään vaihtosähköverkkoja, koska tehoelektronisten laitteiden korkea hintataso ja tekniset ominaisuudet ovat mahdollistaneet tasasähkön käytön vain suurjännitteellä. Suomalaisten sähkönkäyttö on lisääntynyt muutamalla prosenttiyksiköllä vuosittain ja kasvun taantumista ei ole odotettavissa lähiaikoina. Samaan aikaan yhteiskunta muuttuu jatkuvasti yhä riippuvaisemmaksi sähköstä ja odotukset toteutuvasta sähkönlaadusta ovat jatkuvasti korkeammat. Sähkönlaadun näkökulmasta ilmasto on tuonut aiempia suurempia haasteita sähkön toimitusvarmuudelle, kun myrskyjen aiheuttamat tuhot ovat olleet yhä entisiä suurempia. Toimitusvarmuuden parantamiseksi ovat muutamat vuosikymmenen alun rajut myrskyt johtaneet pohdintaan tulevien haasteiden hoitamiseksi ja edelleen uuden 3-portaiseen 20/1/0,4 kV vaihtosähköjärjestelmän kehittämiseen. Tasasähkönsiirron avulla halutaan tuoda käyttöön niitä hyötyjä, joita järjestelmän vaihdolla on saavutettavissa. Täysimääräisellä tasajännitteen hyödyntämisellä voidaan saavuttaa mm. aiempaa edullisempia investointivaihtoehtoja,parempi sähkönlaatu, parempi hajautetun tuotannon liitettävyys verkkoon ja erilaisten asiakaskohtaisten laitteiden helppo integroitavuus osaksi jakelujärjestelmää. Tämän työn puitteissa on pohdittu sekä teknisiä ratkaisuja että järjestelmän teknistaloudellista käyttöaluetta. Lisäksi on pyritty hahmottamaan eri tekijöiden vaikutuksia sähkönjakeluun.

Sliding Mode Control for Switched Mode Power Supplies

Control applications of switched mode power supplies have been widely investigated. The main objective ofresearch and development (R&D) in this field is always to find the most suitable control method to be implemented in various DC/DC converter topologies. Inother words, the goal is to select a control method capable of improving the efficiency of the converter, reducing the effect of disturbances (line and load variation), lessening the effect of EMI (electro magnetic interference), and beingless effected by component variation. The main objective of this research work is to study different control methods implemented in switched mode power supplies namely (PID control, hysteresis control, adaptive control, current programmed control, variable structure control (VSC), and sliding mode control (SMC). The advantages and drawbacks of each control method are given. Two control methods, the PID and the SMC are selected and their effects on DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters are examined. Matlab/SimulinkTM is used to implement PID control method in DC/DC Buck converter and SMC in DC/DC (Buck, and Buck Boost) converters. For the prototype, operational amplifiers (op-amps) are used to implement PID control in DC/DC Buck converter. For SMC op-amps are implemented in DC/DC Buck converter and dSPACETM is used to control the DC/DC Buck-Boost converter. The SMC can be applied to the DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters. A comparison of the effects of the PID control and the SMC on the DC/DC Buck converter response in steady state, under line variations, load variations, and different component variations is performed. Also the Conducted RF-Emissions between the PID and SMC DC/DC Buck Converter are compared. The thesis shows that, in comparison with the PID control, the SMC provides better steady-state response, better dynamic response, less EMI, inherent order reduction, robustness against system uncertainty disturbances, and an implicit stability proof. Giving a better steady-state and dynamic response, the SMC is implemented in a DC/DC resonant converter. The half-wave zero current switching (HWZCS) DC/DC Buck converter is selected as a converter topology. A general guideline to select the tank component values, needed for the designing of a HWZCS DC/DC Buck, is obtained. The implementation of the SMC to a HWZCS DC/DC Buck converter is analysed. The converter response is investigated in the steady-state region and in the dynamic region.

Experimental study applied to an industrial robot by using variable structure controllers and friction compensation

Control of an industrial robot is mainly a problem of dynamics. It includes non-linearities, uncertainties and external perturbations that should be considered in the design of control laws. In this work, two control strategies based on variable structure controllers (VSC) and a PD control algorithm are compared in relation to the tracking errors considering friction. The controller's performances are evaluated by adding an static friction model. Simulations and experimental results show it is possible to diminish tracking errors by using a model based friction compensation scheme. A SCARA robot is used to illustrate the conclusions of this paper.

Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien

Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt. Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich. In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien. Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit. Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert. Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen. Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse. In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten. Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.

DC and AC side harmonics in CCC converters

The capacitor-commutated converter (CCC) has frequently been used in the conception of HVDC systems connected to busbars with low short circuit level. This alternative arrangement, in substitution to the conventional ones, guarantees less sensitive operational conditions to problems related with the commutation failure in the inverters besides supplying part of the reactive energy to be compensated. Studies related with its performance in steady and transient states have been presented in several works, however its behavior as harmonic source is still little explored. This work presents preliminary studies focusing the generation of characteristic harmonics by this type of converter. Subjects related with the amplification of the harmonic magnitudes are investigated and compared considering similar arrangements of conventional static converters (LCC) and CCC schemes. It is also analyzed the harmonic generation on the dc side of the installation and its influence on the ac side harmonics. The results are obtained from simulations in the time domain in PSpice environment and they clearly illustrate the operational differences between the L CC and the CCC schemes with regard to characteristic harmonic generation.