Technological and business challenges of smart grids

Growing recognition of the electricity grid modernization to enable new electricity generation and consumption schemes has found articulation in the vision of the Smart Grid platform. The essence of this vision is an autonomous network with two-way electricity power flows and extensive real-time information between the generation nodes, various electricity-dependent appliances and all points in-between. Three major components of the Smart Grids are distributed intelligence, communication technologies, and automated control systems. The aim of this thesis is to recognize the challenges that Smart Grids are facing, while extinguishing the main driving factors for their introduction. The scope of the thesis also covers possible place of electricity Aggregator Company in the current and future electricity markets. Basic functions of an aggregator and possible revenue sources along with demand response feasibility calculations are reviewed within this thesis.

Parallel-Operating Three-Phase Voltage Source Inverters – Circulating CurrentModeling, Analysis and Mitigation

The maximum realizable power throughput of power electronic converters may be limited or constrained by technical or economical considerations. One solution to this problemis to connect several power converter units in parallel. The parallel connection can be used to increase the current carrying capacity of the overall system beyond the ratings of individual power converter units. Thus, it is possible to use several lower-power converter units, produced in large quantities, as building blocks to construct high-power converters in a modular manner. High-power converters realized by using parallel connection are needed for example in multimegawatt wind power generation systems. Parallel connection of power converter units is also required in emerging applications such as photovoltaic and fuel cell power conversion. The parallel operation of power converter units is not, however, problem free. This is because parallel-operating units are subject to overcurrent stresses, which are caused by unequal load current sharing or currents that flow between the units. Commonly, the term ’circulatingcurrent’ is used to describe both the unequal load current sharing and the currents flowing between the units. Circulating currents, again, are caused by component tolerances and asynchronous operation of the parallel units. Parallel-operating units are also subject to stresses caused by unequal thermal stress distribution. Both of these problemscan, nevertheless, be handled with a proper circulating current control. To design an effective circulating current control system, we need information about circulating current dynamics. The dynamics of the circulating currents can be investigated by developing appropriate mathematical models. In this dissertation, circulating current models aredeveloped for two different types of parallel two-level three-phase inverter configurations. Themodels, which are developed for an arbitrary number of parallel units, provide a framework for analyzing circulating current generation mechanisms and developing circulating current control systems. In addition to developing circulating current models, modulation of parallel inverters is considered. It is illustrated that depending on the parallel inverter configuration and the modulation method applied, common-mode circulating currents may be excited as a consequence of the differential-mode circulating current control. To prevent the common-mode circulating currents that are caused by the modulation, a dual modulator method is introduced. The dual modulator basically consists of two independently operating modulators, the outputs of which eventually constitute the switching commands of the inverter. The two independently operating modulators are referred to as primary and secondary modulators. In its intended usage, the same voltage vector is fed to the primary modulators of each parallel unit, and the inputs of the secondary modulators are obtained from the circulating current controllers. To ensure that voltage commands obtained from the circulating current controllers are realizable, it must be guaranteed that the inverter is not driven into saturation by the primary modulator. The inverter saturation can be prevented by limiting the inputs of the primary and secondary modulators. Because of this, also a limitation algorithm is proposed. The operation of both the proposed dual modulator and the limitation algorithm is verified experimentally.

Utilization of a Time Domain Simulator in the Technical and Economic Analysis of a Wind Turbine Electric Drive Train

The amount of installed wind power has been growing exponentially during the past ten years. As wind turbines have become a significant source of electrical energy, the interactions between the turbines and the electric power network need to be studied more thoroughly than before. Especially, the behavior of the turbines in fault situations is of prime importance; simply disconnecting all wind turbines from the network during a voltage drop is no longer acceptable, since this would contribute to a total network collapse. These requirements have been a contributor to the increased role of simulations in the study and design of the electric drive train of a wind turbine. When planning a wind power investment, the selection of the site and the turbine are crucial for the economic feasibility of the installation. Economic feasibility, on the other hand, is the factor that determines whether or not investment in wind power will continue, contributing to green electricity production and reduction of emissions. In the selection of the installation site and the turbine (siting and site matching), the properties of the electric drive train of the planned turbine have so far been generally not been taken into account. Additionally, although the loss minimization of some of the individual components of the drive train has been studied, the drive train as a whole has received less attention. Furthermore, as a wind turbine will typically operate at a power level lower than the nominal most of the time, efficiency analysis in the nominal operating point is not sufficient. This doctoral dissertation attempts to combine the two aforementioned areas of interest by studying the applicability of time domain simulations in the analysis of the economicfeasibility of a wind turbine. The utilization of a general-purpose time domain simulator, otherwise applied to the study of network interactions and control systems, in the economic analysis of the wind energy conversion system is studied. The main benefits of the simulation-based method over traditional methods based on analytic calculation of losses include the ability to reuse and recombine existing models, the ability to analyze interactions between the components and subsystems in the electric drive train (something which is impossible when considering different subsystems as independent blocks, as is commonly done in theanalytical calculation of efficiencies), the ability to analyze in a rather straightforward manner the effect of selections other than physical components, for example control algorithms, and the ability to verify assumptions of the effects of a particular design change on the efficiency of the whole system. Based on the work, it can be concluded that differences between two configurations can be seen in the economic performance with only minor modifications to the simulation models used in the network interaction and control method study. This eliminates the need ofdeveloping analytic expressions for losses and enables the study of the system as a whole instead of modeling it as series connection of independent blocks with no lossinterdependencies. Three example cases (site matching, component selection, control principle selection) are provided to illustrate the usage of the approach and analyze its performance.

Joustavan särmäyssolun kehittäminen

Tässä diplomityössä esitellään robotisoinnin teoria ja robottisolun oheislaitteet, vaihtoehdot, toiminta ja turvallisuus. Joustavalla tuotantosolulla tarkoitetaan automaattista valmistusjärjestelmää, jossa on useita toisiinsa liitettyjä koneita yhteisellä ohjausjärjestelmällä. Solun komponentteja ovat tuotantolaitteet ja -koneet, ohjausjärjestelmät, valvontalaitteet ja anturit, toimi- ja säätölaitteet sekä ohjelmointijärjestelmä. Joustavaa tuotantosolua voidaan kehittää tehostamalla työntekijöiden koulutusta, ohjelmointia, asetusten tekemistä ja layouttia. Diplomityöhön liittyvä kehitystehtävä koskee heinäveteläisen alihankintakonepajan, Metalliset Oy:n, tuotannon tehostamista robotisoinnin avulla. Metalliset Oy:n joustavan särmäyssolun kehittämiskeinoiksi valittiin nykyisen järjestelmän tehostaminen, uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen ja tulevaisuuden tuotantosolun kehittäminen. Vertailussa parhaimmaksi osoittautui uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen.

Induction Motor Drive Energy Efficiency - Simulation and Analysis

A coupled system simulator, based on analytical circuit equations and a finite element method (FEM) model of the motor has been developed and it is used to analyse a frequency-converterfed industrial squirrel-cage induction motor. Two control systems that emulate the behaviour of commercial direct-torque-controlled (DTC) and vector-controlled industrial frequency converters have been studied, implemented in the simulation software and verified by extensive laboratory tests. Numerous factors that affect the operation of a variable speed drive (VSD) and its energy efficiency have been investigated, and their significance in the simulation of the VSD results has been studied. The dependency of the frequency converter, induction motor and system losses on the switching frequency is investigated by simulations and measurements at different speeds for both the vector control and the DTC. Intensive laboratory measurements have been carried out to verify the simulation results.

Supersaturation-controlled crystallization

Identification of product requirements and quality, together with the management of production are key issues in chemical engineering. Quality control of crystalline products is part of the quality of many industrially manufactured products like paper, paintings, medicines and fertilizers. In most crystallization cases, quality is described with the size, polymorph, shape and purity of the crystal. The chemical composition, hydrodynamics and driving force, together with the operating temperature are in a key position when the properties of a crystalline product are controlled with the crystallization process. This study concentrates on managing the identified properties of a crystalline product with the control of a driving force. The controlling of the driving force can be based on the change of solubility or the change of concentration. Solubility can be changed with temperature, pressure and an antisolvent. The concentration of crystallizing compound, the solute can be changed with the evaporation of the solvent and with the addition of a reagent. The present study focuses on reagent addition and temperature change as methods of changing the level of the driving force. Three control structures for direct control of supersaturation are built, one for cooling crystallization and two for reactive crystallization. Closed loop feedback control structures are based on the measurement of the solute concentration with attenuated total reflection - Fourier transform infrared spectrometer. The details of the reagent feed are analyzed with experimental studies and with results of computational fluid dynamic simulations of the inert particle pulse in the premixer and inert particle injection to the mixing tank. Nucleation in conditions of controlled reactive crystallization is analyzed with Nielsen’s equation of homogeneous nucleation. The resulting control systems, based on regulation of supersaturation, can be used to produce the desired polymorph of an organic product. The polymorph composition of product crystals is controlled repeatably with the decision of a set value of supersaturation level.

ZigBee-verkot ja evaluointilaitteen suunnittelu

In this thesis a closer look at ZigBee wireless network protocol was made and a ZigBee evaluation device was designed and built for testing it. ZigBee is a digital wireless network technology published in 2004, which was developed for wireless control and automation systems. It is based on the IEEE 802.15.4-2003 standard, and its aim was to create a reliable wireless networking protocol with secure data transmissions, low power consumption and low manufacturing costs. The low power consumption requirement has also led to a slow data rate and a short range, but in a ZigBee network individual network devices can route messages to each other, so short range is not a problem. In automation and control systems a fast data rate is not usually an important requirement either. ZigBee network can form automatically and one ZigBee network can theoretically include thousands of devices, all of which can communicate with each other. ZigBee network is also self-healing, so an individual device dropping out of the network, like breaking down, does not affect functionality of the network. Evaluation device was designed and implemented in four different versions, which were tested with six different antenna designs. All antennas were tested at a range of 100 meters in an open terrain using two different frequencies and transmission powers. Also a range test was performed for selected antennas using transmission power of 4,5 dBm, which was maximum power of the ZigBee chip used in the evaluation device. Range test resulted in a measured range of several hundred meters, which can be considered as a good result for a short-range technology.

Toimitusketjun hallinnan kehittäminen tekstiiliteollisuudessa

Due to the outsourcing of manufacturing, Finlayson Oy now has a need to develop its supply chain management as its new ability. This requires development of efficient and flexible procedures and models in order to efficiently manage the company’s floating assets without affecting the reliability of delivery promised for the customer. In this thesis we discuss Finlayson’s supply chain management with a focus on the operations between Finlayson and its suppliers. The aim is to develop these operations and increase the reaction speed of the supply chain in order to response to the changes in demand. In order to do this we discuss different product analysis, material and inventory management and demand forecasting. In the research part of the thesis we design strategies for different products based on product classification analysis. Market behavior of different products will be modeled with demand forecasting methods and inventory control systems will be designed for different product groups based on the nature of their supplier. We will also optimize the costs and resource needs for different suppliers’ order-deliver processes.

Hammashihnajohdeakseleiden liikkeiden synkronointi

Nykyisessä valmistusteollisuudessa erilaisten robottien ja automatisoitujen tuotantovaiheiden rooli on erittäin merkittävä. Tarkasti suunnitellut liikkeet ja toimintavaiheet voidaan nykyisillä järjestelmillä ajoittaa tarkasti toisiinsa nähden, jolloin erilaisten virhetilanteidenkin sattuessa järjestelmä pystyy toimimaan tilanteen edellyttämällä tavalla. Automatisoinnin etuna on myös tuotannon muokkaaminen erilaisten tuotteiden valmistamiseen pienillä muutoksilla, jolloin tuotantokustannukset pysyvät matalina myös pienten valmistuserien tapauksissa. Usean akselin laitteissa eli niin sanotuissa moniakselikäytöissä laitteen toimintatarkkuus riippuu jokaisen liikeakselin tarkkuudesta. Liikkeenohjauksessa on perinteisesti ollut käytössä myötäkytketty paikkakaskadi, jonka virityksessä otetaan huomioon akselilla olevat erilaiset dynaamiset tilat ja käytettävät referenssit. Monissa nykyisissä hajautetuissa järjestelmissä eli moniakselikäytöissä, joissa jokaiselle akselille on oma ohjauslaite, ei yksittäisen akselin paikkavirhettä huomioida muiden akseleiden ohjauksessa. Työssä tutkitaan erilaisia moniakselijärjestelmien ohjausmenetelmiä ja myötäkytketyn paikkakaskadin toimintaa moniakselikäytössä pyritään parantamaan tuomalla paikkasäätimen rinnalle toinen säädin, jonka tulona on akseleiden välinen paikkaero.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön suunnittelu ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Ympäristörasituksen vähentäminen, tiukkenevat päästörajat ja ehtyvät öljyvarat ovat ajaneet kulkuvälineteollisuuden hakemaan uusia vaihtoehtoja ajoneuvojen energiatehokkuuden kehittämiseksi. Hybriditeknologia tarjoaa ratkaisuja kustannustehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden parantamiseksi. Hybriditeknologian yleistyessä myös työkoneympäristössä saadaan paitsi kehitettyä energiatehokkaampia ja pienemmillä käyttökustannuksilla olevia työkoneita, niin myös tuotua siviiliajoneuvoista tuttuja turvallisuusominaisuuksia työkoneympäristöön. Perinteisten diesel-moottorien korvaaminen nopeavasteisilla ja tarkasti säädettävillä sähkömoottoreilla tarjoaa mahdollisuuksia toteuttaa tarkempia ja monipuolisempia säätöjärjestelmiä kuin perinteisessä ympäristössä. Tässä diplomityössä suunnitellaan luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö hybridityökoneympäristöön. Järjestelmä voi käyttökohteesta riippuen pienentää huomattavasti käyttökustannuksia ja mahdollistaa uusien sovellusten tuomista markkinoille, kuten esimerkiksi kääntymisen avustaminen differentiaalisella ohjauksella.

Yritysten eroavaisuuksien vaikutukset johdon ohjausjärjestelmiin - tapaustutkimus

Johdon ohjausjärjestelmät koostuvat yksittäisistä järjestelmistä, jotka muodostavat yrityksen ohjausjärjestelmäkokonaisuuden. Yksittäiset järjestelmät ovat sekä konkreettisia, kuten budjetit, mutta myös käsitteellisempiä tekijöitä, kuten henkilöstön ohjaus. Jokaisella yrityksellä on oma ohjausjärjestelmäkokonaisuutensa, joka riippuu esimerkiksi yrityksen toimialasta, strategiasta ja koosta. Menestyäkseen yrityksen on löydettävä mahdollisimman toimiva ja yhteensopiva ohjausjärjestelmäkokonaisuus juuri kyseiselle yritykselle. Tämän tutkielman ensisijaisena tavoitteena on selvittää miten yritysten eroavaisuudet vaikuttavat johdon ohjausjärjestelmiin. Tutkielma tehdään selvittämällä ensin mitä johdon ohjausjärjestelmät ovat ja tämän jälkeen haastattelemalla erilaisten yritysten talousjohtajia niiden ohjausjärjestelmistä. Tämän jälkeen vertaillaan tuloksia hallitsevaan teoriaan ja yritysten ohjausjärjestelmiä toisiinsa. Tutkielmassa havaittiin selviä eroja yritysten ohjausjärjestelmien välillä.

Petri Net approach for modelling system integration in intelligent buildings

In this paper, a Petri Net approach is introduced for modelling and simulation of control strategies in Intelligent Building. In this context, it is claimed that integration with other building systems can be achieved in a more systematic way considering a mechatronic approach (i.e. multidisciplinary concepts applied to the development of systems). The case study is the Ambulatory Building of Medical School Hospital of University of São Paulo. Particularly, the developed methodology is applied to the elevator system and to the HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) system. It is shown that using this approach, the control systems could be integrated, improving performance.

RFID-teknologia ja kulunvalvontajärjestelmät

RFID on radioaaltoja hyväksikäyttävä langaton kommunikointitekniikka, jota käytetään tunnistamaan tunnisteella merkittyjä esineitä tai ihmisiä yksilöinä. RFID on jo pitkään ollut tunnettu tekniikka, mutta vasta viime vuosikymmeninä sitä on alettu hyödyntämään kaupallisesti eri sovellusaloilla. Kandidaatintyön tarkoituksena on tehdä yleiskatsaus RFID:n historiaan, järjestelmien osiin ja niiden toimintaan sekä kartoittaa RFID-markkinoiden nykytilaa ja lähitulevaisuutta sekä globaalilta kannalta että Suomessa. Lopuksi työssä tarkastellaan RFID-perusteisten kulunvalvontajärjestelmien perusominaisuuksia ja niiden toimintaa.

Budjetointikäytännöt ja niiden kehittäminen vakuutusalalla

Budjetoinnin toimivuus jäykkänä suunnitteluprosessina kyseenalaistetaan tämän päivän nopeasti muuttuvassa toimintaympäristössä. Lisäksi sen merkitys johtamisen välineenä on ristiriitainen, eikä se välttämättä palvele strategisia tavoitteita. Perinteistä budjetointia kritisoivat tahot ovat kehittäneet uusia budjetointimenetelmiä, kuten toimintopohjaisen budjetoinnin ja Beyond budgeting -menetelmän. Tutkimuksessa haastateltiin kolmea vakuutusyhtiötä, tavoitteena on selvittää budjetoinnin merkitys vakuutusyhtiön talouden suunnittelussa ja kartoittaa kehitystarpeita taloussuunittelun toteuttamiselle ottaen huomioon toimialan erityispiirteet ja vaatimukset sekä ulkoinen toimintaympäristö. Tutkitut vakuutusyhtiöt kokivat käyttämänsä perinteisen vuosibudjetoinnin hyvänä taloussuunnittelun välineenä. Säätelyn kohteena olevilta vakuutusyhtiöiltä vaadi-taan tarkkaa pitkän tähtäimen talouden suunnittelua. Ulkoinen toimintaympäristö on ollut viime vuodet vakaa mahdollistaen taloussuunnittelun onnistumisen perinteisen vuosibudjetin keinoin.