Fractional-order control and simulation of wind energy systems with PMSG/full-power converter topology

This paper presents a new integrated model for the simulation of wind energy systems. The proposed model is more realistic and accurate, considering a variable-speed wind turbine, two-mass rotor, permanent magnet synchronous generator (PMSG), different power converter topologies, and filters. Additionally, a new control strategy is proposed for the variable-speed operation of wind turbines with PMSG/full-power converter topology, based on fractional-order controllers. Comprehensive simulation studies are carried out with matrix and multilevel power converter topologies, in order to adequately assert the system performance in what regards the quality of the energy injected into the electric grid. Finally, conclusions are duly drawn.

Fifth harmonic and sag impact on PMSG wind turbines with a balancing new strategy for capacitor voltages

This paper deals with the computing simulation of the impact on permanent magnet synchronous generator wind turbines due to fifth harmonic content and grid voltage decrease. Power converter topologies considered in the simulations are the two-level and the three-level ones. The three-level converters are limited by unbalance voltages in the DC-link capacitors. In order to lessen this limitation, a new control strategy for the selection of the output voltage vectors is proposed. Controller strategies considered in the simulation are respectively based on proportional integral and fractional-order controllers. Finally, a comparison between the results of the simulations with the two controller strategies is presented in order to show the main advantage of the proposed strategy. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Permanent magnet synchronous generator design solution for large directdrive wind turbines: Thermal behavior of the LC DD-PMSG

Wind is one of the most compelling forms of indirect solar energy. Available now, the conversion of wind power into electricity is and will continue to be an important element of energy self-sufficiency planning. This paper is one in a series intended to report on the development of a new type of generator for wind energy; a compact, high-power, direct-drive permanent magnet synchronous generator (DD-PMSG) that uses direct liquid cooling (LC) of the stator windings to manage Joule heating losses. The main param-eters of the subject LC DD-PMSG are 8 MW, 3.3 kV, and 11 Hz. The stator winding is cooled directly by deionized water, which flows through the continuous hollow conductor of each stator tooth-coil winding. The design of the machine is to a large degree subordinate to the use of these solid-copper tooth-coils. Both steady-state and timedependent temperature distributions for LC DD-PMSG were examined with calculations based on a lumpedparameter thermal model, which makes it possible to account for uneven heat loss distribution in the stator conductors and the conductor cooling system. Transient calculations reveal the copper winding temperature distribution for an example duty cycle during variable-speed wind turbine operation. The cooling performance of the liquid cooled tooth-coil design was predicted via finite element analysis. An instrumented cooling loop featuring a pair of LC tooth-coils embedded in a lamination stack was built and laboratory tested to verify the analytical model. Predicted and measured results were in agreement, confirming the predicted satisfactory operation of the LC DD-PMSG cooling technology approach as a whole.

Emulation of an OWC Ocean Energy Plant With PMSG and Irregular Wave Model

Ocean energy is a promising resource for renewable electricity generation that presents many advantages, such as being more predictable than wind energy, but also some disadvantages such as large and slow amplitude variations in the generated power. This paper presents a hardware-in-the-loop prototype that allows the study of the electric power profile generated by a wave power plant based on the oscillating water column (OWC) principle. In particular, it facilitates the development of new solutions to improve the intermittent profile of the power fed into the grid or the test of the OWC behavior when facing a voltage dip. Also, to obtain a more realistic model behavior, statistical models of real waves have been implemented.

A coordinated control scheme for power demand changes in a PMSG based multi-terminal DC wind farm

Although maximum power point tracking (MPPT) is crucial in the design of a wind power generation system, the necessary control strategies should also be considered for conditions that require a power reduction, called de-loading in this paper. A coordinated control scheme for a proposed current source converter (CSC) based DC wind energy conversion system is presented in this paper. This scheme combines coordinated control of the pitch angle, a DC load dumping chopper and the DC/DC converter, to quickly achieve wind farm de-loading. MATLAB/Simulink simulations and experiments are used to validate the purpose and effectiveness of the control scheme, both at the same power level. © 2013 IEEE.

Synchronization of estrus and fertility in zebu beef heifers treated with three estrus synchronization protocols

The effects on estrus and fertility of 3 estrus synchronization protocols were studied in Brahman beef heifers. In Treatment 1 (PGF protocol; n=234), heifers received 7.5 mg, im prostianol on Day 0 and were inseminated after observed estrus until Day 5. Treatment 2 (10-d NOR protocol; n=220) consisted of norgestomet (NOR; 3 mg, sc implant and 3 mg, im) and estradiol valerate (5 mg, im) treatment on Day -10, NOR implant removal and 400 IU, im PMSG on Day 0, and AI after observed estrus through to Day 5. Treatment 3 (14-d NOR+PGF protocol; n=168) constituted a NOR implant (3 mg, sc) on Day -14, NOR implant removal on Day 0, PGF on Day 16, and AI after observed estrus through to Day 21. All heifers were examined for return to estrus at the next cycle and inseminated after observed estrus. The heifers were then exposed to bulls for at least 21 d. During the period of estrus observation (5 d) after treatment, those heifers treated with the PGF protocol had a lower (P

Synchronization of estrus and ovulation and associated endocrine changes in Bos indicus cows

The effects of 4 estrus synchronization treatments on intervals to and synchrony of estrus and ovulation, on timing of the preovulatory LH surge and associated changes in plasma progesterone, LH, FSH, and 17 beta-estradiol (E(2)) were investigated in 48 Bos indicus cows. Treatment 1 consisted of 2 injections of PGF(2 alpha) 14 d apart (n = 12); Treatment 2 of a subcutaneous 3-mg norgestomet implant and an intramuscular injection of 3 mg of norgestomet and 5 mg estradiol valerate, with the implant removed 10 d later (n = 12; norgestomet-estradiol); Treatment 3 of norgestomet-estradiol, with a subcutaneous injection of PMSG given at time of implant removal (Day 10; n = 12); and Treatment 4 of norgestomet implant (as for Treatments 2 and 3) inserted for 10 d, with an intramuscular injection of PGF(2 alpha) given at the time of implant removal (n = 12). The experiment was conducted in 2 replicates (24 cows/replicate, 6 cows/group). Estrus, ovulation and timing of the preovulatory surge of LH varied less in cows treated with norgestomet-estradiol and PMSG than in cows in Treatments 1 and 4 (P < 0.008). Treatment with PMSG;educed variation in ovulation times and timing of the LH surge in cows treated with norgestomet-estradiol (P < 0.02). Concentrations of E(2) were higher in cows in Treatments 2 and 3 on the final day of treatment and at about 6 h post ovulation compared with cows in Treatments 1 and 4 (P < 0.05). Different methods for synchronizing estrus did not alter sequential endocrine and behavioral changes in relation to the timing of the LH peak, and the results were consistent with current recommendations for insemination times in Bos taurus cattle. (C) 1997 by Elsevier Science Inc.

Control of ovulation with a GnRH agonist after superstimulation of follicular growth in buffalo: fertilization and embryo recovery

The potential to use a GnRH agonist bioimplant and injection of exogenous LH to control the time of ovulation in a multiple ovulation and embryo transfer (MOET) protocol was examined in buffalo. Mixed-parity buffalo (Bubalus bubalis; 4-15-year-old; 529 13 kg LW) were randomly assigned to one of five groups (n = 6): Group 1, conventional MOET protocol; Group 2, conventional MOET with 12 It delay in injection of PGF(2alpha); Group 3, implanted with GnRH agonist to block the pre-ovulatory surge release of LH; Group 4, implanted with GnRH agonist and injected with exogenous LH (Lutropin(R), 25 mg) 24 h after 4 days of superstimulation with FSH; Group 5, implanted with GnRH agonist and injected with LH 36 h after superstimulation with FSH. Ovarian follicular growth in all buffaloes was stimulated by treatment with FSH (Folltropin-V(R), 200 mg) administered over 4 days, and was monitored by ovarian ultrasonography. At the time of estrus, the number of follicles greater than or equal to8 mm. was greater (P < 0.05) for buffaloes in Group 2 (12.8) than for buffaloes in Groups 1 (8.5), 3 (7.3), 4 (6.1) and 5 (6.8), which did not differ. All buffaloes were mated by AI after spontaneous (Groups 1-3) or induced (Groups 4 and 5) ovulation. The respective number of buffalo that ovulated, number of corpora lutea, ovulation rate (%), and embryos + oocytes recovered were: Group 1 (2, 1.8 +/- 1.6, 18.0 +/- 13.6, 0.2 +/- 0.2); Group 2 (4, 6.1 +/- 2.9, 40.5 +/- 17.5, 3.7 +/- 2.1); Group 3 (0, 0, 0, 0); Group 4 (6, 4.3 +/- 1.2, 69.3 +/- 14.2, 2.0 +/- 0.9); and Group 5 (1, 2.5 +/- 2.5, 15.5 +/- 15.5, 2.1 +/- 2.1). All buffaloes in Group 4 ovulated after injection of LH and had a relatively high ovulation rate (69%) and embryo recovery (46%). It has been shown that the GnRH agonist-LH protocol can be used to improve the efficiency of MOET in buffalo. (C) 2002 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

Modeling, control and simulation of full-power converter wind turbines equipped with permanent magnet synchronous generator

In this paper, two wind turbines equipped with a permanent magnet synchronous generator (PMSG) and respectively with a two-level or a multilevel converter are simulated in order to access the malfunction transient performance. Three different drive train mass models, respectively, one, two and three mass models, are considered in order to model the bending flexibility of the blades. Moreover, a fractional-order control strategy is studied comparatively to a classical integer-order control strategy. Computer simulations are carried out, and conclusions about the total harmonic distortion (THD) of the electric current injected into the electric grid are in favor of the fractional-order control strategy.

Wind turbines equipped with fractional-order controllers: Stress on the mechanical drive train due to a converter control malfunction

This paper is on variable-speed wind turbines with permanent magnet synchronous generator (PMSG). Three different drive train mass models and three different topologies for the power-electronic converters are considered. The three different topologies considered are respectively a matrix, a two-level and a multilevel converter. A novel control strategy, based on fractional-order controllers, is proposed for the wind turbines. Simulation results are presented to illustrate the behaviour of the wind turbines during a converter control malfunction, considering the fractional-order controllers. Finally, conclusions are duly drawn. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Expression and localization of PPARs in the rat ovary during follicular development and the periovulatory period.

PPARs are a family of nuclear hormone receptors involved in various processes that could influence ovarian function. We investigated the cellular localization and expression of PPARs during follicular development in ovarian tissue collected from rats 0, 6, 12, 24, and 48 h post-PMSG. A second group of animals received human CG (hCG) 48 h post-PMSG. Their ovaries were removed 0, 4, 8, 12, and 24 h post-hCG to study the periovulatory period. mRNAs corresponding to the PPAR isotypes (alpha, delta, and gamma) were localized by in situ hybridization. Changes in the levels of mRNA for the PPARs were determined by ribonuclease protection assays. PPAR gamma mRNA was localized primarily to granulosa cells, and levels of expression did not change during follicular development. Four hours post-hCG, levels of mRNA for PPAR gamma decreased (P &lt; 0.05) but not uniformly in all follicles. At 24 h post-hCG, levels of PPAR gamma mRNA were reduced 64%, but some follicles maintained high expression. In contrast, mRNAs for PPAR alpha and delta were located primarily in theca and stroma, and their levels did not change during the intervals studied. To investigate the physiologic significance of PPAR gamma in the ovary, granulosa cells from PMSG-primed rats were cultured for 48 h with prostaglandin J(2) (PGJ(2)) and ciglitazone, PPAR gamma activators. Both compounds increased progesterone and E2 secretion (P &lt; 0.05). These data suggest that PPAR gamma is involved in follicular development, has a negative influence on the luteinization of granulosa cells, and/or regulates the periovulatory shift in steroid production. The more general and steady expression of PPARs alpha and delta indicate that they may play a role in basal ovarian function.

Direct-on-line axial flux permanent magnet synchronous generator static and dynamic performance

In distributed energy production, permanent magnet synchronous generators (PMSG) are often connected to the grid via frequency converters, such as voltage source line converters. The price of the converter may constitute a large part of the costs of a generating set. Some of the permanent magnet synchronous generators with converters and traditional separately excited synchronous generators couldbe replaced by direct-on-line (DOL) non-controlled PMSGs. Small directly networkconnected generators are likely to have large markets in the area of distributed electric energy generation. Typical prime movers could be windmills, watermills and internal combustion engines. DOL PMSGs could also be applied in island networks, such as ships and oil platforms. Also various back-up power generating systems could be carried out with DOL PMSGs. The benefits would be a lower priceof the generating set and the robustness and easy use of the system. The performance of DOL PMSGs is analyzed. The electricity distribution companies have regulations that constrain the design of the generators being connected to the grid. The general guidelines and recommendations are applied in the analysis. By analyzing the results produced by the simulation model for the permanent magnet machine, the guidelines for efficient damper winding parameters for DOL PMSGs are presented. The simulation model is used to simulate grid connections and load transients. The damper winding parameters are calculated by the finite element method (FEM) and determined from experimental measurements. Three-dimensional finite element analysis (3D FEA) is carried out. The results from the simulation model and 3D FEA are compared with practical measurements from two prototype axial flux permanent magnet generators provided with damper windings. The dimensioning of the damper winding parameters is case specific. The damper winding should be dimensioned based on the moment of inertia of the generating set. It is shown that the damper winding has optimal values to reach synchronous operation in the shortest period of time after transient operation. With optimal dimensioning, interferenceon the grid is minimized.

Suomalaisen tuulivoimateollisuuden asema, kilpailukyky ja tulevaisuuden näkymät kansainvälisillä markkinoilla

Executive Summary Tuulivoimateollisuus on kasvanut erittäin voimakkaasti 2000-luvulla, ja viime vuonna asennettiin maailmanlaajuisesti ennätysmäärä noin 42 GW uutta tuulivoimakapasiteettia. Kumulatiivinen asennettu kapasiteetti oli vuoden 2011 lopussa noin 241 GW, josta eniten Euroopassa, sitten Kaakkois-Aasiassa, etenkin Kiinassa ja kolmanneksi suurimpana markkina-alueena oli USA. Kiinassa oli eniten asennettua tuulivoimaa, 26 % maailman tuulivoimasta, toisena oli USA, sitten Saksa, Espanja ja Intia. Suurin osa asennetusta koko maailman kapasiteetista on maatuulivoimaa (onshore), merituulivoimaa (offshore) oli asennettu vajaat 4 GW. Teollisuus työllisti arviolta yli 560000 henkilöä maailmanlaajuisesti ja liiketoiminnan arvo oli noin 52 Mrd. euroa (73 Mrd. USD). Tuuliturbiineja oli maailmalla toiminnassa noin 200000 ja niiden keskikoko oli 1,2 MW. Turbiinien koko on tasaisesti kasvanut ja nykyisin suurimmat kaupalliset turbiinit ovat 6-7 MW kokoluokassa. Suomessa oli vuoden 2012 lopussa asennettuna 163 turbiinia yhteisteholtaan 288 MW, joten olemme huomattavasti jäljessä useimpia muita EU maita tuulivoiman hyödyntämisessä. Tuulivoimamarkkinoiden ennakoidaan kasvavan keskimäärin noin 10 % vuosittain, jolloin vuonna 2020 maailmassa olisi asennettuna kapasiteettia noin 900 GW, josta offshore tuulivoimaa 75 GW. Tällöin tuulivoimalla tuotettaisiin noin 8 % sähköntuotannosta, kun arvio vuodelle 2012 on 2,26 %. Nopeinta kasvu olisi Kaakkois-Aasiassa ja Pohjois-Amerikassa, merituulivoimaa sen sijaan asennettaisiin eniten Eurooppaan. Suomen ilmasto- ja energiastrategin mukainen tavoite on 2,5 GW tuulivoimaa vuonna 2020. Moderni turbiini koostuu seuraavista pääkomponenteista: tornista, kolmilapaisesta roottorista, vaihteistosta, generaattorista, ja elektroniikasta. Turbiinien hinta vaihtelee projektista ja käytetystä tekniikasta johtuen, mutta tämän hetkisenä keskiarvona voidaan käyttää noin 1 MEUR / MW hintaa Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa. Kiinassa hinta on vähintään yhden kolmasosan halvempi. Turbiinihintojen ennakoidaan halventuvan jo lähivuosien kuluessa jopa 30 % johtuen muun muassa suuruuden ekonomiasta ja kiristyvästä kilpailusta. Kun mukaan lasketaan kaikki kulut, kuten suunnittelu, luvat, turbiinin perustukset ja kaapeloinnit, tulee asennetulle turbiinille keskihinnaksi noin 1,5 MEUR. Merituulivoima voi olla kaksi kertaa kalliimpi investointi. Generaattoreina käytetään tyypillisesti nopeita tai keskinopeita induktio- (DFIG) tai kestomagneettigeneraattoreita (PMSG) ja yleisesti kolmivaihteisia vaihteistoja. Hidasnopeuksisen (PMSG) suoravetogeneraattorin (DD) käyttö on kuitenkin yleistymässä, sillä tällöin vältetään vika-alttiin vaihteiston käyttö. Korkea toimintaluotettavuus on erityisen tärkeä merituulivoimaloissa. Suurimmat 15 turbiinivalmistajaa toimittivat viime vuonna lähes 90 % maailman tuulivoimaloista. Suurin toimija on tanskalainen Vestas, jonka liikevaihto vuonna 2011 oli noin 6 Mrd euroa ja henkilöstöä yli 22000. Suurimpien valmistajien joukossa oli 7 kiinalaista toimijaa, jotka ovat kasvaneet nopeasti viime vuosina. Useimmat turbiinivalmistajat valmistavat joitakin strategisia komponentteja itse tai ostavat ne omaan konserniin kuuluvalta tytäryhtiöltä ja ostavat muut komponentit ja materiaalit sopimusvalmistajilta. Yhtiöiden valmistusstrategiat kuitenkin vaihtelevat ”tehdään kaikki itse” strategiasta pelkkään avainkomponenttien kokoonpanoon ja turbiinin kokonaistoimitukseen. Tyypillisesti turbiinivalmistajia palvelee vakiintunut joukko kansainväliseen toimintaan kyvykkäitä komponenttitoimittajia varatoimittajineen. Kaiken kaikkiaan sekä turbiini- että komponenttivalmistajien kesken on tapahtunut viime vuosikymmenen kuluessa konsolidoitumista. Valmistus on myös globalisoitunut eli avainkomponentit ja etenkin isot komponentit valmistetaan lähellä asiakasta. Toisaalta kiristynyt hintakilpailu on johtanut siihen, että yritykset ovat siirtäneet tuotantoa Kiinaan, joka nykyisin onkin suurin komponenttien valmistusmaa. Alan keskittyminen ja globalisoituminen tullee jatkumaan myös tulevaisuudessa. Suomessa on eri sektoreilta tuulivoiman huippuosaamista, mutta kokonaisvaltaista tuulivoimaklusteria meillä ei ole. Sellaisen rakentaminen tai rakentuminen vie aikaa ja edellyttäisi selkeän veturiyrityksen olemassaoloa. Tuuliturbiinien kokonaistoimituksista yleensä vastaava turbiinivalmistaja olisi luonteva veturiyritys, mutta kotimaiset valmistajat (Winwind ja Mervento) ovat kansainvälisesti pieniä, ja niiden markkina-asema on haastava. Lisäksi Winwind on ajautunut vakavaan taloudelliseen kriisiin (velkojat hakevat yhtiöltä saataviaan käräjäoikeudessa tammikuussa 2013). Kotimaisille turbiinivalmistajille, kuten muillekin tuulivoima-alan toimijoille olisi ensisijaista, että kotimaiset investoinnit käynnistyisivät täysipainoisesti. Tämä tarkoittaisi paitsi liiketoimintamahdollisuuksia, niin kumuloituvaa osaamista ja ennen kaikkea referenssejä kansainvälistä kilpailua silmälläpitäen. Suomalaisten turbiinivalmistajien kilpailukykyisin businessalue löytynee erityisosaamisesta, kuten esimerkiksi arktisesta tuulivoimasektorista. Mahdollisesti liittoutumalla tai jonkin johtavan turbiinivalmistajan tytäryrityksenä suomalainen niche markkinoille erikoistunut turbiinivalmistus voisi menestyä tulevaisuuden kovenevassa kilpailussa. Kilpailu päämarkkinoilla johtavien turbiinivalmistajien kanssa tuskin tuo menestystä, sillä näiden resurssit ja referenssit ovat ylivertaiset ja osaaminenkin osin suomalaisia edellä. Suomalaista huippuosaamista edustavat muun muassa ABB, The Switch, Vacon, Vaisala, Prysmian sekä Moventas. Yhtiöiden markkina-alue on globaali ja etenkin ABB:n ja Prysmianin resurssit mittavat. Yhtiöillä on edellytykset menestyä jatkossakin kansainvälisesti tuulivoimaliiketoiminnan komponenttien ja systeemien toimittajina. Moventaksen haasteena on yrityksen taloudellinen tilanne ja kilpailukyky markkinoilla (koko henkilöstö lomautetaan määräajaksi keväällä 2013). Muun muassa paperikonevalmistuksen ja meriteollisuuden johdolla Suomeen on syntynyt vahva konepajaosaaminen ja alihankintaverkosto. Esimerkiksi Holming, Componenta, Häkkinen Group ja Metso Foundries palvelevat jo tuulivoimateollisuutta. Osa yhtiöistä toimii kansainvälisesti ja niillä on mahdollisuus jatkossakin palvella tuulivoimateollisuutta, etenkin Suomessa ja lähialueilla. Komponenttitoimittajien ja alihankkijoiden kansainvälistymisen haasteina ovat muun muassa Suomen syrjäinen sijainti Euroopan päämarkkinoilta ja päämiesten jo osin vakiintuneet toimittajaverkostot. Tuulivoiman suunnittelu ja konsultointi sekä käyttö ja kunnossapito tarjoavat suomalaisille yhtiöille liiketoimintamahdollisuuksia Suomessa ja lähialueilla. Merkittävää uutta potentiaalia edustaa telakkateollisuus, ennen muuta STX Finland. STX konsernissa osataan erikoislaivojen tekeminen, konserni omistaa jo turbiinivalmistajan ja konsernin strategiana on tulla merkittäväksi tuulivoimatoimijaksi. Offshore perustukset ja tornit voisivat luontevasti olla omaa tuotantoa oman turbiinivalmistuksen, tuulipuistojen käytön ja kunnossapidon sekä erikoislaivojen ohella. STX Finlandilla olisi potentiaalia toimia suomalaisen tuulivoimateollisuuden veturiyrityksenä. Yhtiön rahoitustilanne ja kilpailukyky ovat kuitenkin tällä hetkellä haastavat. Rautaruukilla on potentiaalia toimittaa muun muassa ristikkorakenteisia torneja ja Parmalla hybriditorneja tuulivoimateollisuudelle. Suomalaisen tuulivoimaosaamisen ja työllisyyden kannalta keskeistä on, että Suomen ilmasto- ja energiastrategian mukaiset tuulivoimainvestoinnit saataisiin viipymättä käyntiin ja investointiympäristö säilyisi suotuisana ja ennustettavana. Tuulivoiman syöttötariffi tukee tuulivoiman taloudellista kannattavuutta lähitulevaisuudessa, mutta tuulivoimarakentamisen rajoituksia ja esteitä tulee myös merkittävästi purkaa tai lieventää.”Työpaikkoja syntyy niihin maihin joissa tuulivoimaa rakennetaan”. Tuulivoima työllistää paitsi suunnittelu- ja rakentamisvaiheessa, niin erityisesti laitosten 20-30 vuoden käyttö- ja kunnossapitoaikana. Teknologiateollisuuden (2012) positiivisen kasvuskenaarion mukaan tuulivoimateollisuus voisi työllistää jopa 25-30000 henkilöä vuonna 2020 nykyisten noin 2000 sijasta ja alan liikevaihto voisi olla jopa 12-14 Mrd. euroa. Tällainen kasvuskenaario sisältää kyllä merkittäviä epävarmuustekijöitä ja Tarastin (2012) selvitys arvioikin kasvun ja työllisyyden kehittyvän kasvuskenaariossakin maltillisemmin. Todennäköisimmät menestysmahdollisuudet ovat alalla jo merkittävässä asemassa olevilla resursseiltaan vahvoilla ja kansainvälisillä yrityksillä. Monialayritykset kestävät pelkästään tuulivoima-alaan keskittyneitä yrityksiä paremmin alalle tyypilliset liiketoiminnan vaihtelut. Erikoistuminen ja uudet radikaalit innovaatiot voivat kuitenkin tuoda tuulivoimaliiketoimintaan täysin uusia toimijoita tai muuttaa nykyisten yritysten kilpailuasetelmia. Kaupallisesti menestyviä uusia keksintöjä harvoin kuitenkaan syntyy ilman panostuksia. Ensiarvoisen tärkeää olisi määritellä kansallinen tahtotila, millä resurssein ja mihin tuulivoimateollisuuden sektoreihin halutaan panostaa, ja kohdentaa resurssit siten, että alan yrityksillä, tutkimuslaitoksilla ja muilla toimijoilla olisi parhaat edellytykset kehittää kilpailukykyisiä tuotteita, palveluita ja systeemeitä. Potentiaalisten uusien teknologioiden ja suomalaisten toimijoiden syvällisempi tarkastelu voisikin olla mielenkiintoisen jatkotutkimuksen aihe.

Design and testing of an armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator for island operation

At present, permanent magnet synchronous generators (PMSGs) are of great interest. Since they do not have electrical excitation losses, the highly efficient, lightweight and compact PMSGs equipped with damper windings work perfectly when connected to a network. However, in island operation, the generator (or parallel generators) alone is responsible for the building up of the network and maintaining its voltage and reactive power level. Thus, in island operation, a PMSG faces very tight constraints, which are difficult to meet, because the flux produced by the permanent magnets (PMs) is constant and the voltage of the generator cannot be controlled. Traditional electrically excited synchronous generators (EESGs) can easily meet these constraints, because the field winding current is controllable. The main drawback of the conventional EESG is the relatively high excitation loss. This doctoral thesis presents a study of an alternative solution termed as a hybrid excitation synchronous generator (HESG). HESGs are a special class of electrical machines, where the total rotor current linkage is produced by the simultaneous action of two different excitation sources: the electrical and permanent magnet (PM) excitation. An overview of the existing HESGs is given. Several HESGs are introduced and compared with the conventional EESG from technical and economic points of view. In the study, the armature-reaction-compensated permanent magnet synchronous generator with alternated current linkages (ARC-PMSG with ACL) showed a better performance than the other options. Therefore, this machine type is studied in more detail. An electromagnetic design and a thermal analysis are presented. To verify the operation principle and the electromagnetic design, a down-sized prototype of 69 kVA apparent power was built. The experimental results are demonstrated and compared with the predicted ones. A prerequisite for an ARC-PMSG with ACL is an even number of pole pairs (p = 2, 4, 6, …) in the machine. Naturally, the HESG technology is not limited to even-pole-pair machines. However, the analysis of machines with p = 3, 5, 7, … becomes more complicated, especially if analytical tools are used, and is outside the scope of this thesis. The contribution of this study is to propose a solution where an ARC-PMSG replaces an EESG in electrical power generation while meeting all the requirements set for generators given for instance by ship classification societies, particularly as regards island operation. The maximum power level when applying the technology studied here is mainly limited by the economy of the machine. The larger the machine is, the smaller is the efficiency benefit. However, it seems that machines up to ten megawatts of power could benefit from the technology. However, in low-power applications, for instance in the 500 kW range, the efficiency increase can be significant.