An experimental study of the operating characteristics and electrode heat transfer of a direct current electric arc in a pressurized argon environment,

"Purdue Research Foundation. Research project no.1717. Project Ae-33. This research was supported by the McDonnell Aircraft Corporation under Contract no. 6140-20 P. O. 7S4899-R."

Direct current ripple compensation for multi-phase fault-tolerant machines

A second-harmonic direct current (DC) ripple compensation technique is presented for a multi-phase, fault-tolerant, permanent magnet machine. The analysis has been undertaken in a general manner for any pair of phases in operation with the remaining phases inactive. The compensation technique determines the required alternating currents in the machine to eliminate the second-harmonic DC-link current, while at the same time minimising the total rms current in the windings. An additional benefit of the compensation technique is a reduction in the magnitude of the electromagnetic torque ripple. Practical results are included from a 70 kW, five-phase generator system to validate the analysis and illustrate the performance of the compensation technique.

High-definition transcranial direct current stimulation enhances conditioned pain modulation in healthy volunteers : a randomized trial

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.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Tasasähkönjakelun käyttöpotentiaalin määrittäminen

Sähkönjakeluverkkojen kehittäminen nykyistä käyttövarmemmiksi ja taloudellisemmiksi vaatii jatkuvasti uusia ratkaisumalleja. Lupaavaksi tekniikaksi sähkönjakeluverkkojen kehittämisessä on osoittautumassa tasasähkönjakelu tehoelektronisten komponenttien kehittyessä ja hintojen laskiessa samanaikaisesti. Pienjännitedirektiivi mahdollistaa tasajännitteen myötä aiempaa suurempien jännitteiden käytön pienjänniteverkoissa. Tasajännitteen käytöllä voidaan saavuttaa etuja mm. tehonsiirtokyvyssä, sähkönlaadussa, käyttövarmuudessa sekä kustannuksissa. Työssä tehdään yksityiskohtaisia teknistaloudellisia tarkasteluja perinteistä 20/0,4 kV tekniikkaa, 1000 V sähkönjakelua sekä tasasähköjärjestelmiä hyödyntäen ja verrataan näiden järjestelmien kustannuksia ja ominaisuuksia toisiinsa. Tutkimusalueet on valittu Fortum Sähkönsiirto Oy:n maaseutu- ja taajamaverkoista. Työssä pyritään hahmotta-maan teknistaloudellista käyttöaluetta eri tasasähkönjakelujärjestelmille sekä määrittä-mään tasasähkönjakelun käyttöpotentiaali tutkimuskohteena olleissa verkoissa. Lisäksi tutkitaan eri tekijöiden vaikutuksia tasasähköjakelun kannattavuuteen ja käyttövarmuu-teen sekä pyritään tuomaan esiin muitakin tasasähkönjakelujärjestelmien ominaisuuksia.

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.

Análise da estabilidade a pequenas perturbações do sistema elétrico de potência considerando a atuação do TCSC e controladores suplementares de amortecimento: representação pelo modelo de sensibilidade de corrente

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Transmissão de potência em corrente contínua e em corrente alternada: estudo comparativo

This paper presents a comparative study based on literature and examples in the literature, the two main technologies for the transmission of electricity at high voltage: alternate current transmission and direct current transmission. Inside the direct current transmission will be shown two technologies currently employed, transmission by current source and transmission by voltage source, contributing to a better understanding of them. The ultimate goal is to provide a text for consultation to identify key characteristics that influence the choice of future transmission lines

Proteção de linhas de transmissão de sistemas VSC-HVDC utilizando limitadores de corrente de falta

Tecnologias HVDC que utilizam conversores do tipo fonte de tensão, o VSC-HVDC, ainda não são completamente difundidas e aplicadas no Brasil, em contraste com outros países que começaram a estudar e empregar este tipo de transmissão. Comparado com o HVDC tradicional, o VSC-HVDC é uma tecnologia de transmissão mais eficiente e pode superar deficiências encontradas na transmissão em corrente contínua convencional. O VSC-HVDC pode ser utilizado de maneira mais eficiente nas novas redes de energia, para alimentar ilhas, integração de geração eólica, renovação das linhas em centros urbanos, aplicações multiterminais e conexão com sistemas fracos. Por se tratar de uma tecnologia recente, o VSC-HVDC ainda não é amplamente adotado e uma das principais limitações da utilização destes sistemas é a sua fragilidade diante faltas na linha de corrente contínua. Neste contexto, limitadores de corrente de falta (LCF) podem ser utilizados para minimizar o impacto das faltas. A ação dos limitadores é benéfica ao sistema durante condições de falta, contudo, ainda assim é necessária a atuação do sistema de proteção para extinguir a condição faltosa. Portanto, este trabalho visa propor e avaliar um novo esquema de proteção que opere de maneira seletiva e confiável para sistemas VSC-HVDC na presença de LCF baseados em materiais supercondutores ou LCF indutivos. Para tanto, foram implementadas quatro funções de proteção tradicionais das linhas em CC, a saber: direcional de corrente, diferencial, sobrecorrente com restrição de tensão e ondas viajantes, e ainda, foi proposta uma nova função de proteção, a de condutância, a qual apresentou o menor tempo de identificação de falta, considerando as faltas mais severas. Adicionalmente, foi avaliado o comportamento destas funções quando o sistema apresenta os LCF em série com a linha. Foi demonstrado que é possível extrair os benefícios dos LCF sem deteriorar a qualidade dos resultados das funções de proteção, o que aumenta a segurança e confiabilidade dos sistemas VSC-HVDC, uma vez que os impactos das faltas são minimizados e as mesmas são identificadas em um curto intervalo de tempo.

HVDC transmission systems: Bipolar back-to-back diode clamped multilevel converter with fastoptimum-predictive control and capacitor balancing strategy

Voltage source multilevel power converter structures are being considered for high power high voltage applications where they have well known advantages. Recently, full back-to-back connected multilevel neutral diode clamped converters (NPC) have been used in high voltage direct current (HVDC) transmission systems. Bipolar back-to-back connection of NPCs have advantages in long distance HVDC transmission systems, but highly increased difficulties to balance the dc capacitor voltage dividers on both sending and receiving end NPCs. This paper proposes a fast optimum-predictive controller to balance the dc capacitor voltages and to control the power flow in a long distance HVDCsystem using bipolar back-to-back connected NPCs. For both converter sides, the control strategy considers active and reactive power to establish ac grid currents on sending and receiving ends, while guaranteeing the balancing of both NPC dc bus capacitor voltages. Furthermore, the fast predictivecontroller minimizes the semiconductor switching frequency to reduce global switching losses. The performance and robustness of the new fast predictive control strategy and the associated dc capacitors voltage balancing are evaluated. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Power-line-communication-based data transmission concept for an LVDC electricity distribution network – Analysis and implementation

Communications play a key role in modern smart grids. New functionalities that make the grids ‘smart’ require the communication network to function properly. Data transmission between intelligent electric devices (IEDs) in the rectifier and the customer-end inverters (CEIs) used for power conversion is also required in the smart grid concept of the low-voltage direct current (LVDC) distribution network. Smart grid applications, such as smart metering, demand side management (DSM), and grid protection applied with communications are all installed in the LVDC system. Thus, besides remote connection to the databases of the grid operators, a local communication network in the LVDC network is needed. One solution applied to implement the communication medium in power distribution grids is power line communication (PLC). There are power cables in the distribution grids, and hence, they may be applied as a communication channel for the distribution-level data. This doctoral thesis proposes an IP-based high-frequency (HF) band PLC data transmission concept for the LVDC network. A general method to implement the Ethernet-based PLC concept between the public distribution rectifier and the customerend inverters in the LVDC grid is introduced. Low-voltage cables are studied as the communication channel in the frequency band of 100 kHz–30 MHz. The communication channel characteristics and the noise in the channel are described. All individual components in the channel are presented in detail, and a channel model, comprising models for each channel component is developed and verified by measurements. The channel noise is also studied by measurements. Theoretical signalto- noise ratio (SNR) and channel capacity analyses and practical data transmission tests are carried out to evaluate the applicability of the PLC concept against the requirements set by the smart grid applications in the LVDC system. The main results concerning the applicability of the PLC concept and its limitations are presented, and suggestion for future research proposed.

Transmission network expansion planning considering uncertainty in demand

This paper presents two mathematical models and one methodology to solve a transmission network expansion planning problem considering uncertainty in demand. The first model analyzed the uncertainty in the system as a whole; then, this model considers the uncertainty in the total demand of the power system. The second one analyzed the uncertainty in each load bus individually. The methodology used to solve the problem, finds the optimal transmission network expansion plan that allows the power system to operate adequately in an environment with uncertainty. The models presented are solved using a specialized genetic algorithm. The results obtained for several known systems from literature show that cheaper plans can be found satisfying the uncertainty in demand.

Stability analysis of power system including facts (TCSC) effects by direct method approach

The problem of power system stability including the effects of a flexible alternating current transmission system (FACTS) is approached. First, the controlled series compensation is considered in the machine against infinite bar system and its effects are taken into account by means of construction of a Lyapunov function (LF). This simple system is helpful in order to understand the form the device affects dynamic and transient performance of the power system. After, the multimachine case is considered and it is shown that the single-machine results apply to multimachine systems. An energy-form Lyapunov function is derived for the power system including the FACTS device and it is used to analyse damping and synchronizing effects due to the FACTS device in single-machine as well as in multimachine power systems. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Protection schemes for meshed VSC-HVDC transmission systems for large-scale offshore wind farms

This chapter discusses network protection of high-voltage direct current (HVDC) transmission systems for large-scale offshore wind farms where the HVDC system utilizes voltage-source converters. The multi-terminal HVDC network topology and protection allocation and configuration are discussed with DC circuit breaker and protection relay configurations studied for different fault conditions. A detailed protection scheme is designed with a solution that does not require relay communication. Advanced understanding of protection system design and operation is necessary for reliable and safe operation of the meshed HVDC system under fault conditions. Meshed-HVDC systems are important as they will be used to interconnect large-scale offshore wind generation projects. Offshore wind generation is growing rapidly and offers a means of securing energy supply and addressing emissions targets whilst minimising community impacts. There are ambitious plans concerning such projects in Europe and in the Asia-Pacific region which will all require a reliable yet economic system to generate, collect, and transmit electrical power from renewable resources. Collective offshore wind farms are efficient and have potential as a significant low-carbon energy source. However, this requires a reliable collection and transmission system. Offshore wind power generation is a relatively new area and lacks systematic analysis of faults and associated operational experience to enhance further development. Appropriate fault protection schemes are required and this chapter highlights the process of developing and assessing such schemes. The chapter illustrates the basic meshed topology, identifies the need for distance evaluation, and appropriate cable models, then details the design and operation of the protection scheme with simulation results used to illustrate operation. © Springer Science+Business Media Singapore 2014.