QC 20101220

Controlling the dynamic outputs of electrical machines has always been an essential topic in aerospace, automotive and other industries. Electrical machine control consists of several components, each of which can be controlled in various ways. Whereas the dynamic responses are mostly simulated using MATLAB/SIMULINK, Prof. Marko Hinkkanen from Aalto University has launched a project for the development of an open-source simulator called ’Motulator’, based on Python. In this thesis, we focus on developing modulation methods and related functions for the inverter in ’Motulator’ based on an existing model of a Permanent Magnet Electrical Machine (PMSM). First, the two-level and three-level inverters with the Space Vector Modulation (SVPWM) method are developed. The dynamic output performance improves significantly compared to Sinusoidal Pulse-Width Modulation (SPWM). In addition, operation under the over-modulation mode for both inverters is implemented to improve the DC-bus voltage utilisation further, allowing higher torques and speeds. The problem of neutral point voltage imbalance is solved for the three-level inverter, ensuring the difference voltage between upper and lower capacitors to fluctuate around 0. Finally, a harmonic analysis tool based on the non-uniform Fourier transform is established. / Styrning och reglering av elektriska maskiners dynamik har alltid varit ett viktigt ämne inom flyg- och bilindustrin men även för andra tillämpningar. Regleringen av elektriska maskiner består av flera delar som var och en kan styras på olika sätt. De dynamiska förhållandena simuleras vanligen i MATLAB/SIMULINK. För att inte vara beroende av kommersiell programvara har Professor Marko Hinkkanen från Aalto universitetet lanserat en simulator med öppen källkod, baserad på Python, kallad ’Motulator’. Examensarbetet fokuserar vi på att utveckla moduleringsmetoder och relaterade funktioner för växelriktaren i ’Motulator’, baserat på en befintlig modell av en permanentmagnetiserad synkronmaskin (PMSM). Först utvecklas två- och trenivåomriktare med ”Space Vector Modulation” (SVPWM). Drivsystemets dynamisk prestanda förbättras därvid avsevärt i jämförelse med Sinus-pulsbreddsstryning (Sinusoidal-PWM). Övermodulering har implementerats för båda växelriktarna i avseende att ytterligare förbättra DC-bussens spänningsutnyttjande, vilket möjliggör högre vridmoment och varvtal. Problemet med nollpunktsspänningens obalans är löst för trenivåomriktaren, vilket säkerställer att skillnadsspänningen mellan de övre och nedre kondensatorerna fluktuerar runt 0. Slutligen har ett verktyg utvecklats i syfte att analysera övertoner, baserat på en olikformig Fouriertransform.

Automatic tracking and video of surveillance on a farm could help to support farm management. In this project, an automated detection system is used to detect sows in surveillance videos. This system is based upon deep learning and computer vision methods. In order to minimize disk storage and to meet the network requirements necessary to achieve the real-performance, tracking in compressed video streams is essential. The proposed system uses a Discriminative Correlation Filter (DCF) as a classifier to detect targets. The tracking model is updated by training the classifier with online learning methods. Compression technology encodes the video data, thus reducing both the bit rates at which video signals are transmitted and helping the video transmission better adapt to the limited network bandwidth. However, compression may reduce the image quality of the videos the precision of our tracking may decrease. Hence, we conducted a performance evaluation of existing visual tracking algorithms on video sequences with quality degradation due to various compression parameters (encoders, target bitrate, rate control model, and Group of Pictures (GOP) size). The ultimate goal of video compression is to realize a tracking system with equal performance, but requiring fewer network resources. The proposed tracking algorithm successfully tracks each sow in consecutive frames in most cases. The performance of our tracker was benchmarked against two state-of-art tracking algorithms: Siamese Fully-Convolutional (FC) and Efficient Convolution Operators (ECO). The performance evaluation result shows our proposed tracker has similar performance to both Siamese FC and ECO. In comparison with the original tracker, the proposed tracker achieved similar tracking performance, while requiring much less storage and generating a lower bitrate when the video was compressed with appropriate parameters. However, the system is far slower than needed for real-time tracking due to high computational complexity; therefore, more optimal methods to update the tracking model will be needed to achieve real-time tracking. / Automatisk spårning av övervakning i gårdens område kan bidra till att stödja jordbruket management. I detta projekt till ett automatiserat system för upptäckt upptäcka suggor från övervaknings filmer kommer att utformas med djupa lärande och datorseende metoder. Av hänsyn till Diskhantering och tid och hastighet Krav över nätverket för att uppnå realtidsscenarier i framtiden är spårning i komprimerade videoströmmar är avgörande. Det föreslagna systemet i detta projekt skulle använda en DCF (diskriminerande korrelationsfilter) som en klassificerare att upptäcka mål. Spårningen modell kommer att uppdateras genom att utbilda klassificeraren med online inlärningsmetoder. Compression teknik kodar videodata och minskar bithastigheter där videosignaler sänds kan hjälpa videoöverföring anpassar bättre i begränsad nätverk. det kan dock reducera bildkvaliteten på videoklipp och leder exakt hastighet av vårt spårningssystem för att minska. Därför undersöker vi utvärderingen av prestanda av befintlig visuella spårningsalgoritmer på videosekvenser Det ultimata målet med videokomprimering är att bidra till att bygga ett spårningssystem med samma prestanda men kräver färre nätverksresurser. Den föreslagna spårning algoritm spår framgångsrikt varje sugga i konsekutiva ramar i de flesta fall prestanda vår tracker var jämföras med två state-of-art spårning algoritmer:. Siamese Fully-Convolutional (FC) och Efficient Convolution Operators (ECO) utvärdering av prestanda Resultatet visar vår föreslagna tracker blir liknande prestanda med Siamese FC och ECO. I jämförelse med den ursprungliga spårningen uppnådde den föreslagna spårningen liknande spårningseffektivitet, samtidigt som det krävde mycket mindre lagring och alstra en lägre bitrate när videon komprimerades med lämpliga parametrar. Systemet är mycket långsammare än det behövs för spårning i realtid på grund av hög beräkningskomplexitet; därför behövs mer optimala metoder för att uppdatera spårningsmodellen för att uppnå realtidsspårning.

In an electrical system there needs to be a constant balance between supply and demand ofelectricity and this is measured by the frequency in the grid. Due to the increasing awarenessof climate change, more renewable energy resources have been introduced in the Swedishelectricity system. This is, however, not solely positive since renewable energy sources areoften of intermittent character which entails more imbalances between supply and demand. Inaddition, statistics and data show that the deviation in the frequency in the Nordic system hasincreased during the latest years. Thus, in this thesis, the issues regarding the frequency havebeen addressed by examining the demand for frequency control in the Swedish electricitysystem and what balancing efforts that can be carried out on a local level to contribute to abetter balanced system. This thesis has been conducted at KTH Royal Institute of Technologywith collaboration with the commissioner Mälarenergi AB. A case study of the Swedish electricity system has been carried out to gather empiricalmaterial and this material has been analyzed using Geels theory on technical transitions, themulti-level perspective. The results indicates that it is likely the demand for frequency controlwill increase, and this is due to factors as more intermittent energy, current market design fortrading electricity, overseas transmission connections, decommissioning of nuclear powerand limited internal transmission capacity. Three other developments have been identified,which could have a large impact on the demand in the future, as an increasing use of electricvehicles, prosumers and the deployment of IoT in the energy sector. These developmentshave not been integrated to a large extent yet in the energy sector and thus have a moreuncertain impact. In terms of resources, the thesis has identified that it is likely that hydropower will continueto be the main resource for frequency regulation. Another source that could be used morefrequently than today and possibly compete with hydropower is combined heat and powerplants. Furthermore, the study has found that local actors can contribute by advertisingsmaller local resources on a market for trading regulating power called“reglerkraftmarknaden”, that balance providing companies collaborate, that the load iscontrolled in the local grids or that smaller local production facilities are operated in standalonemode during extreme situations. / För att uppnå ett välfungerande elektrisk system så måste det vara en konstant balans mellan produktion och konsumtion av el i systemet. Den här balansen mäts genom att mäta frekvensen i elnätet. Eftersom allt fler har blivit mer medvetna om de klimatförändringar vår planet står inför har det successivt införts mer och mer förnybara energikällor i det svenska elsystemet. Den här utvecklingen har inte enbart varit positivt, eftersom förnybara energikällor ofta är av intermittent karaktär, vilket har medfört att balansen mellan produktion och konsumtion av el har försämrats. Flertalet undersökningar har påvisat att det förekommer mer frekvensavvikelser i det nordiska elsystemet idag än tidigare. Denna rapport har således undersökt dessa problem genom att analysera efterfrågan på frekvensreglering i det svenska elsystemet och vilka initiativ som kan tas på lokal nivå för att förbättra balansen i elsystemet. Rapporten har genomförts på Kungliga Tekniska Högskolan i samarbete med uppdragsgivaren Mälarenergi AB. Rapporten har genomfört en fallstudie av det svenska elsystemet för att samla in empiriskt material, och detta material har i sin tur analyserats genom Geels flernivåsansats. De resultat som har framkommit i undersökningen visar på att det är troligt att efterfrågan av frekvensreglering kommer att öka. Denna ökning beror på faktorer som att mer intermittent energi integreras i elnätet, hur marknaden för att handla elektricitet är utformad, fler utländska överföringsförbindelser, nedrustning av kärnkraft och begränsad överföringskapacitet inom det nationella elnätet. Tre andra utvecklingar har identifierats som möjligen kan ha en stor påverkan på behovet av frekvensreglering. Dessa är ett ökat antal elektriska fordon, prosumenter och att energisektorn integreras av IoT och smarta objekt i större utsträckning än idag. Dessa faktorer har inte integrerats i det svenska elsystemet nämnvärt ännu och deras påverkan är därmed mer osäker. Denna studie har också kommit fram till att vattenkraft troligtvis kommer fortsätta att vara den resurs som används mest för frekvensreglering, men även att kraftvärmeverk har potential att användas mer för reglering än idag. Vidare har rapporten även identifierat att lokala aktörer kan bidra till en bättre balans i systemet genom att antingen annonsera mindre lokala resurser på reglerkraftmarknaden, öka samarbetet mellan balansansvariga företag, kontrollera lasten i lokala elnät eller att mindre lokala produktionsanläggningar drivs i ö-drift under extrema situationer.

As the share of weather-dependent renewable energy sources increases in the energy system, more grid balancing solutions are needed. For companies investing in energy production facilities, this offers new business opportunities. This master's thesis examines a battery energy storage system (BESS) co-located with a wind farm and utilizing its existing grid connection. The profitability of the battery system investment is evaluated using Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR) and Payback time (PBT). In the analysis, the revenue of the battery system consists of capacity (MW) payments from reserve markets. The profitability of the battery system is studied in both the annual and hourly markets. The report compares the results to those of a standalone battery system to understand the advantages of utilizing the same grid connection. Finally, the investment is analysed further using scenario analysis on the annual degradation and the market price levels. The battery capacity is sized according to the maximum NPV. The results indicate that both the co-located BESS and the standalone BESS are potential investment targets, but the co-located BESS utilizing the wind farm's grid connection offers better returns. The reason for this is that the cost of a new grid connection for a standalone BESS is higher than the revenue lost due to capacity constraints when utilizing the existing grid connection. Hourly reserve markets offer better returns than annual reserve markets. Annual markets yielded an internal rate of return of 9 % and a net present value of 350 kEUR, while hourly markets yielded an internal rate of return of 22 % and a net present value over 10 times higher compared to the annual market returns. The optimal sizing of the battery capacity is found to be between 30 and 40 % of the wind park’s production capacity, or in this case 4-5 MW. / Med en ökande andel väderberoende förnybara källor i energisystemet behövs fler lösningar för att behålla balansen i elnätet. Detta erbjuder nya affärsmöjligheter för energiföretag som vill investera i energilagringslösningar. Denna uppsats undersöker ett batterisystem som är beläget vid en vindpark och utnyttjar en befintlig nätanslutning. En ekonomisk analys med nettonuvärdesmetoden (NPV), internräntemetoden (IRR) samt återbetalningstiden (PBT) av batterisystemet utförs för att utvärdera investeringspotentialen. I analysen består intäkterna från batterisystemet av kapacitetsbetalningar från reservmarknader. Lönsamheten för batterilagringssystemet undersöks både på årsmarknader och timmarknader. Rapporten jämför resultaten med ett fristående batterilagringssystem för att förstå fördelarna med att utnyttja samma nätanslutning. Slutligen analyseras investeringen med hjälp av scenarioanalys för olika marknadsprisnivåer samt årliga försämringstakter. Batterikapaciteten dimensioneras enligt det maximala nettonuvärdet. Resultaten visade att både batterilagringssystemet som utnyttjar vindkraftparkens nätanslutning och det fristående batterilagringssystemet är potentiella investeringsobjekt, men batterilagringssystemet som utnyttjar vindkraftparkens nätanslutning erbjuder bättre avkastning. Anledningen till detta är att kostnaden för en ny nätanslutning för ett fristående batterilagringssystem är högre än de inkomstförluster som orsakas av kapacitetsbegränsningar vid utnyttjandet av den befintliga nätanslutningen. Timreservmarknader erbjuder bättre avkastning än årsreservmarknader. Årsmarknaderna genererade en internränta på 9 % och ett nuvärde på 350 kEUR, medan timmarknaderna genererade en internränta på 22 % och över 10 gånger högre nuvärde jämfört med årsmarknaderna. Den optimala dimensioneringen av batterikapaciteten bedöms vara 30–40 % av vindkraftparkens produktionskapacitet, vilket i detta fall är 4–5 MW. / Sääriippuvaisen uusiutuvien energiatuotantomuotojen osuuden kasvaessa energiajärjestelmässä tarvitaan lisää verkontasapainotusratkaisuja. Energiatuotantolaitoksiin investointeja tekeville yrityksille tämä tarjoaa uusia liiketoimintamahdollisuuksia. Tämä diplomityö tarkastelee akkujärjestelmää, joka sijaitsee tuulivoimapuiston ohessa ja hyödyntää olemassa olevaa verkkoliityntää. Akkujärjestelmän investoinnin kannattavuutta arvioidaan hyödyntäen nettonykyarvoa (NPV), sisäistä korkoa (IRR) sekä takaisinmaksuaikaa (PBT). Analyysissä akkujärjestelmän tulot koostuvat reservimarkkinoiden kapasiteettimaksuista. Akkujärjestelmän kannattavuutta tutkitaan sekä vuosimarkkinoilla että tuntimarkkinoilla. Raportissa verrataan tuloksia itsenäisen akkujärjestelmän tuloksiin, jotta ymmärrettäisiin saman verkkoliitynnän hyödyntämisen edut. Lopuksi investointia analysoidaan skenaarioanalyysin avulla eri markkinahintatasoilla ja akkujärjestelmän rappeutumisnopeudella. Akkukapasiteetti mitoitetaan maksimaalisen nettonykyarvon mukaan. Tulokset osoittivat, että sekä tuulivoimapuiston verkkoliitynnän hyödyntämä akkujärjestelmä että omalla verkkoliitynnällä oleva akkujärjestelmä ovat potentiaalisia investointikohteita, mutta tuulivoimapuiston verkkoliityntää hyödyntävä akkujärjestelmä tarjoaa parempia tuottoja. Syynä tähän on, että uuden verkkoliitynnän kustannus itsenäiselle akkujärjestelmälle on suurempi kuin olemassa olevan verkkoliitännän hyödyntämisen kapasiteettirajoitusten aiheuttavat tulonmenetykset. Tuntireservimarkkinat tarjoavat parempia tuottoja kuin vuosireservimarkkinat. Vuosimarkkinat tuottivat 9 % sisäisen koron ja 350 kEUR nettonykyarvon, kun taas tuntimarkkinat tuottivat 22 % sisäisen koron ja yli 10 kertaa korkeamman nettonykyarvon vuosimarkkinoiden tuottoihin verrattuna. Akkukapasiteetin optimaalinen mitoitus todetaan olevan 30–40 % tuulipuiston tuotantokapasiteetista, joka tässä tapauksessa on 4–5 MW.

Battery packs consists of several smaller cells that can drift apart from each other and cause imbalance to the system. These imbalances can be balanced by either dissipating some energy (passive method) or redistributing the excess energy between the cells (active method). In this project they energy efficiency and balancing speed of two active method is investigated and compared to a traditional passive balancing method for 9 cells connected in series. The two active method investigated is the delta structured switched capacitor (DSSC) and chain structure switched inductor (CSSI) method. These methods have the ability to balance any cell with any other cell at any time, which, given the same initial imbalanced cells, results in a much faster balancing speed compared to the passive method.   The energy efficiency and balancing speed was investigated further by examining the energy gained when continuously charging and discharging the cells to model real drive cycles of the cells. This resulted in energy saving corresponding up to 5 Wh more energy per cycle after simulating for about 1900 cycles. This energy gain started however after 1000 cycles due to small imbalance between the cells. The energy gain of the active methods are however not sufficient enough to compensate for their higher component cost when considering the whole life of the cell. However, looking only the second part of the cell’s life, cycled more than 1000 cycles, the energy gain became more clear and the DSSC method start to be more beneficial to use.

Syftet med detta arbete var att fastställa det avkastningsmål som buffertfonderna bör ha för att bidra till största möjliga nytta för det svenska pensionssystemet samt att analysera styrkan och känsligheten i systemet. För att besvara syftet genomfördes en Asset Liability Management analys, där risk och avkastning optimerades samtidigt som hänsyn togs till pensionssystemets skulder och rättvisa mellan generationer. Ett nyckeltal definierades för att ta hänsyn till generationsneutralitet. Nyckeltalet visar hur mycket en generation procentuellt sett får ut i pension relativt vad de har betalat in till pensionssystemet och det anses vara rättvist om detta nyckeltal är samma för samtliga generationer. Utifrån nyckeltalet togs en stokastisk optimeringsmodell fram som minimerade förluster och orättvisor mellan generationer. Avkastningsmålet som fastställdes genom optimeringen blev 3,6 procent realt, vilket är lägre än samtliga buffertfonders nuvarande avkastningsmål. Känslighetsanalysen visade att pensionssystemet mest sannolikt ser starkt ut framöver. Pensionssystemet är framförallt känsligt för demografiska förändringar, medan förutsättningarna på de finansiellamarknaderna får mindre påverkan för systemets långsiktiga stabilitet. / The aim of this thesis was to determine the target return that the buffer funds should have to generate maximum possible benefit for the Swedish pension system and to analyse the strength and sensitivity of the system. An Asset Liability Management analysis, with optimization of risk and return with respect to the pension system’s liabilities and equality between generations, was performed. A key ratio was defined to illustrate the generation-neutrality in the pensions system. The key ratio shows how much pension one generation will receive compared to how much they have paid to the pension system and it is considered to be fair if the ratio is the same for every generation. A stochastic optimization model that minimized losses with respect to the key ratio was developed. The target real return that was determined in the optimization was 3.6 percent, which is lower than all the buffer funds’ current target returns. The sensitivity analysis showed that the pension system most plausible is strong in the future. The system is mainly sensitive for demographic changes while the condition of the financial market has less impact on the system’s long-term stability.