<p>I denne masteroppgaven har det blitt arbeidet med NTNUs deltagelse i Shell Eco-marathon våren 2009. Med utgangspunkt i bilen fra 2008 og simuleringer og analyser fra forprosjektet høsten 2008, har arbeidet vært fokusert på å bygge opp et elektrisk framdriftssystem med hovedfokus på effektivitet. 9-fase motordrift Det ble først utredet og startet som smått på arbeidet med å bygge en veldig eksperimentell motorstyring for å teste ut et nytt motorkonsept. Etter en stund måtte dette arbeidet avbrytes på grunn av at det trengtes resurser til å bygge opp et styresystem til en ny brenselcellestack, som hadde et mye større potensial til å bedre energieffektiviteten i systemet. Brenselcellestyring En brenselcellestack som hadde potensial til å bli en del av et ekstremt effektivt brenselcellesystem, var utgangspunktet for dette arbeidet. Det ble bygd opp hydrogenforsyning, viftesystem og elektronisk styring for brenselcellestacken. Systemet ble først testet grundig på lab med blant annet lastsimuleringer, slik at hydrogenforsyning og viftestyring kunne optimeres for bilen. Deretter ble systemet implementert i bilen. Resultatet var et brenselcellesystem med en virkningsgrad på rundt 60%. Med dette som utgangspunkt for resten av framdriftsystemet, ble Shell Eco-marathon 2009 en stor suksess for NTNU.</p>

<p>Sammendrag Det er flere nye likestrømsforbindelser under planlegging mellom Norge / NordEl og det kontinentale Europa / UCTE. Foruten NorGer-prosjektet har også Statnett SF om en ny forbindelse fra Kristiansand til Danmark. Stor importkapasitet på HVDC-forbindelsene setter spesielle krav til tilstanden i området hvor eksisterende konverterstasjonene er etablert. Eventuelle nye forbindelser gir opphav til økte utfordringer, spesielt i situasjoner hvor man har høy import samtidig med et lavt forbruk. En slik situasjon kan innebære lav produksjon i Sør-Norge, slik at systemtilstanden med hensyn på kortslutningsytelse kan karakteriseres svak. Kortslutningsytelsen sett i forhold til total importkapasitet kan si noe om forventninger til driften av likestrømsforbindelsene. Situasjonen som beskrevet i forrige avsnitt kan også være kritisk med tanke på stabilitet i kraftsystemet. Bortfall av import kan oppstå som følge av lav spenning på konverterterminalene. Det er således en sammenheng mellom stabilitet i AC-kraftsystemet, spenningsstabilitet og polhjulsvinkelstabilitet, og forutsetningene for feilfri drift av HVDC-systemene.. Teori vedrørende stabilitet i kraftsystemer, karakteristikk av AC-kraftsystem, konverterteknologi og vindkraft innleder dette dokumentet, der hensikten er å beskrive de viktigste momenter i forhold til problemstillingen. Det utarbeidet et analysegrunnlag på bakgrunn av antagelser vedrørende forventet last- og produksjonsutvikling, samt kapasitetsøkninger som kan forventes frem mot en eventuell idriftsettelse av NorGer. Det er tatt utgangspunkt i konsesjonssøknader og meldinger tilgjengelig via NVE og konklusjoner fra en studie mottatt fra Statnett SF vedrørende nettutvikling forutsatt nye likestrømsforbindelser. Import og vindkraft er balansert ved å ta utgangspunkt i en historisk situasjon for Sør-Norge med lav kortslutningsytelse. Likestrømsforbindelsene NorGer, samt Skagerrak12, Skagerrak4 og NorNed, er modellert og etablert med tilhørende reaktive komponenter i kraftsystemmodellen over Norge. NorGer er tilknyttet 420 kV-nett i Tonstad sammen med et vindkraftanlegg. Det er utført kortslutningsberegninger for å identifisere linjeutfall i 420/300 kV-nettet i Sør-Norge som kan ha konsekvens for driften av konverterstasjonene. Bortsett fra dobbeltutfall av forbindelsen Tonstad-Feda, hvor en mulig kritisk systemtilstand er identifisert for NorNed, viser resultatene at systemet kan karakteriseres moderat sterkt for alle gjennomførte (N-1) utfall med gjennomførte forsterkningstiltak. En dynamisk stabilitetsanalyse er gjennomført med PSS/E, der simuleringer er gjort på bakgrunn av lastflytresultatene. Systemet er transient stabilt for alle gjennomførte simuleringer, men det er identifisert svakheter i modelleringen av enkelte statiske reaktive komponenter. Vindparkens konsekvens for NorGer har vist seg vanskelig å identifisere. En fordel synes å ligge i at et vindkraftanlegg kan være i drift på tross av lave kraftpriser, ettersom vind ikke kan magasineres. For videre arbeid anbefales en studie av prinsipiell karakter for å lettere kunne fastslå konsekvensen.</p>

<p>Prosjektet har blitt utført i samarbeid med SINTEF Energi AS. Hovedformålet med prosjektet har vært å sammenligne kryssbundet polyetylen (PEX) med perfluoroalkoxy (PFA) med hensyn på levetid i elektrisk sammenheng. I dag er PEX det mest brukte isolasjons materiale, men dette isolasjons materiale er ikke veldig motstandsdyktig mot partielle utladninger. Det er derfor ønskelig og finne et materiale som er mer motstandsdyktig mot partielle utladninger og derfor kan være et alternativ til PEX som isolasjonsmateriale i applikasjoner med høye temperaturer og trykk. Forsøkene har blitt gjort ved konstant trykk (4 bar absolutt, N2), ved 25 ˚C eller 30 ˚C og konstant avstand fra elektrode til prøveobjekt (1 mm). Spenningen under testing har vært 16769 volt eller 18000 volt. Data som har blitt målt og logget under testing av prøveobjektene er PD, antall PD, trykk og temperatur. Prøvedata har blitt undersøk, for å påvise et mønster som kan forteller om levetid. Det har blitt sett på levetid for isolasjonen som funksjon av spenning, energi og motstand på belegg mellom prøveobjekt og jordingselektrode. Det kommer ikke frem noen signifikante forkjeller mellom PEX og PFA. Det er derfor ikke mulig og si noe om hvordan PFA er som isolasjon i forhold til PEX.</p>

<p>En stor andel av distribusjonsnettet verden over begynner å nå, eller allerede har passert, sin tekniske levetid. I Nord-Amerika er over 20 % av kabelanleggene i distribusjonsnettet (mellomspenningsnettet) eldre enn sin tekniske levetid [1]. Feilstatistikken øker i takt med alderen på anleggene, samtidig som nettselskapene står ovenfor strengere krav til leveringssikkerhet. Vanntrær er sett på som hovedårsaken til feil og havari på kabelanlegg i distribusjonsnettet. De senere årene har det i tillegg til havari som følge av vanntrær også blitt avdekket svært mange feil knyttet til kabelskjøter. Spesielt gjelder dette kabelskjøter fra kabelanlegg satt i drift tidlig på 1980 tallet. Aldringsmekanismene for kabelskjøter er i dag ikke helt fastlagte. Mye av tidligere forskningen har vært knyttet til varmgang i skjøtehylsen på grunn av høy kontaktmotstand. Arbeidet i dette prosjektet er basert på feltaldrede kabelskjøter. Kabelskjøtene er hentet fra kabelanlegg som under tidligere feltdiagnostisering viste svært lave resistansverdier (lavohmige) og høye dielektriske tap. Partielle utladninger ble målt, og lokalisert til kabelskjøter. På bakgrunn av disse resultatene er to trefaseskjøter tatt ut av drift og studert videre i laboratoriet. I tillegg er to havarerte kabelskjøter fra det samme nettområdet studert. I laboratoriet er skjøtene karakterisert ved blant annet megging (isolasjonsresistivitet), dielektrisk spektroskopi og måling av partielle utladninger. Resultatene fra dette prosjektet konkluderer med at kontaktmotstand kan ha vært årsak til havari for de to havarerte kabelskjøtene. For skjøtene studert i laboratoriet tyder mye på at vanninntregning i løpet av alle årene i drift alene kan føre til havari. Den ene av skjøtene ble utsatt for tørking ved høy temperatur. Tørkingen førte til at de partielle utladningene detektert før tørkingen, med tennspenning like over driftsspenning, forsvant. I tilegg ble isolasjonens ledningsevne og dielektriske tap drastisk redusert. En av skjøtene ble utsatt for aldring over en lengre periode påsatt konstant høyspenning. Skjøten sto spenningssatt i totalt åtte uker, og ble med jevne mellomrom testet for partielle utladninger. De studerte skjøtene viste et svært intermitterende utladningsbilde. Både størrelse og varigheten på utladningene varierte svært hurtig.</p>

<p>Målet med masteroppgaven er å bygge en allerede planlagt transformator, samt videreutvikle et påbegynt testoppsett. Det arbeidet som tidligere er gjort kan finnes i prosjektoppgaven [1] (denne ligger vedlagt i vedlegg 1). Testoppsettet skal brukes til å teste den planlagte likespenningen med en overlagret transient, samt en AC-kilde brukes for å teste kabelen slik at resultatene kan sammenlignes. Bakgrunnen for målet stammer fra prosjektoppgaven og lyder: ”ønske om å teste innvirkningen transiente spenninger har på kryssbundne polyetylen (PEX) kabler som opererer i et høyspent DC-system (HVDC). For å generere den ønskede spenningen på 100 kV ± 10 kVrms er det uarbeidet en krets. Det har vist seg at testoppsettet fungerer bra til gjennomslaget skjer. Gjennomslaget fører til at AC-kilden får for høy spenning, som resulterer i at IGBT-omformeren ødelegges. De testede spenningene gir et gjennomslag på 70 kV ± 7 kVrms ved bruk av en nåleavstand som gir en isolasjonstykkelse lik 0,9 mm. Tiden var i gjennomsnitt 3,5 min, noe som tilsvarer en gjennomslagsspenning lik 15 til 17 kV AC, med samme kabeloppsett.</p>

<p>Denne masteroppgaven er en del av et prosjekt finansiert av Forskningsrådet, Statkraft, Statnett, Nortroll og SINTEF Energiforskning samt flere E-verk. Hovedmålet i prosjektet er å utvikle måleutstyr som kan detektere fuktighetsnivå, fritt vann og konduktivitet i oljefylte kabeltermineringer i felt. I den anledning er det interessant å skaffe mer kunnskap rundt hvilke fenomener som leder frem til havari. Det er flere hypoteser knyttet til hendelsesforløpet. Studier av havarerte termineringer viser at gjennomslagstedet ligger et stykke over konus. Ettersom det mest sannsynlige stedet for vanninntrengning er toppakningen antas at vannet glir ned langs kabelen og legger seg toppen av konus. Om vanndråper alene vil kunne gi en stor nok feltforsterkning til at havari kan forekomme er usikkert. For å skaffe mer kunnskap om hendelsesforløpet gjennomføres følgende forsøk: • Fullskalaforsøk av en vannlekkasje i en oljefylt kabelterminering. Målet med forsøket er visuelt å undersøke hvordan fritt vann i oljeisolasjonen vil bevege seg og etter hvert samle seg i termineringen. Underveis måles utladningsaktiviteten slik at den kan sammenlignes direkte med de observerte fenomener. • Modellforsøket der det studeres hvordan en jordet vannfilm som ligger rundt kabelisolasjonen nederst i oljen vil påvirkes(visuelle observasjoner og utladningsmålinger) av det elektriske feltet. Forsøket utføres både med målinger like etter at spenningen er slått på og også som et aldringsforsøk. Observasjoner gjort under fullskalaforsøket viser at dråpene har to karakteristiske bevegelsesmønstre. I tilfelle der dråpene har en viss avstand til andre dråper trekkes de inn mot konusområdet etter hvert som de synker nedover i oljen. Dersom to eller flere dråper kommer i nært nok slås det enten sammen eller støttes bort fra hverandre. Dråpene løser seg i liten grad i oljen, men fester seg på konus og veggene i termineringshuset. Utladningsmålinger gjort under forsøket viste lite utladningsaktivitet de første 1400 timene selv om to liter vann ble dryppet inn i denne perioden. Fra 1400-2000 timer etter oppstart var utladningsnivået i området 50 pC-1nC. Utladningene ble lokalisert til neddel/ nedsiden av konus. Sammen med observasjoner kan dette tyde på at vanndråpene har flyttet potensialet nedover konus ved å danne elektriske kontakt med oversiden. Langtidsforsøk på modellkabler viste stor statistisk spredning på når havari inntreffer. Utladningsnivået ved relevante feltstyrker var også begrenset.</p>

<p>HVDC-kabler har lenge vært viktige innen energiinfrastrukturen ettersom de kan transportere store mengder energi over store avstander med langt mindre tap enn AC-kabler. HVDC-kabler har tradisjonelt hatt et masseimpregnert isolasjonssystem, men ekstruderte polymerer er i ferd med å bli et alternativ. Borealis har utviklet en polymer ved navn LE4253 som Nexans har planer om å ta i bruk som HVDC-kabelisolasjon. Hovedformålet med denne oppgaven er å karakterisere spenningsfordeling og spenningsholdfasthet for LE4253 ved hjelp av henholdsvis romladningsmålinger og holdfasthetstest for så å sammenlikne med et kjent referansemateriale, LS4201S. AC-holdfasthetstestene viste en gjennomsnittlig spenningsholdfasthet for HVDC-solasjonen på 88,7kV/mm og en P63,2% på 92,83kV/mm. Referansematerialet lå noe lavere med en gjennomsnittlig spenningsholdfasthet på 73,7kV/mm og en P63,2% på 81,16kV/mm. Holdfasthetstesten viser også at det er mulig ved optimale produksjonsforhold å få en holdfasthet på over 100 kV/mm. Konduktiviteten i både LE4253 og LS4201 viste seg å være avhengig av påtrykt feltstyrke og temperatur. Sammenhengen ble funnet å være: sigma(LE4253) = 6E-18∙e^(0,1158T+0,1236E) sigma(LS4201S) = 4E-18∙e^(0,2133T+0,1200E) Akkumulasjon av romladning er kritisk i HVDC-kabler med isolasjonssystem av ekstruderte polymerer. Dette skyldes at hurtig endring av det elektriske feltet, som for eksempel ved polaritetsskift eller hurtig jording, vil føre til lokale feltforsterkninger i områdene med romladning. Dette vil igjen kunne initiere trevekst og igjen til havari. Etter å ha stått spenningssatt i åtte døgn var det omtrent like mye romladning i LE4253 som i LS4201S. Den store forskjellen lå i at romladningene var mer distribuert i LE4253 i forhold til LE4201S hvor det meste av romladning akkumulertes i elektrodegrenseflaten. Ladningsansamlingen i LE4253 og LS4201S ved den positive elektroden etter åtte døgns spenningspåtrykk på 20 kV/mm lå stabilt de tre siste døgnene på henholdsvis -0,48 kV/m3 og -1,04 kV/m3. Ladningsansamlingen i LE4253 og LS4201S ved den negative elektroden etter åtte døgns spenningspåtrykk på 20 kV/mm var henholdsvis -0,16 kV/m3 og -0,74 kV/m3.</p>

<p>Denne rapporten omhandler dynamiske analyser av et vannkraftverks respons på kortslutninger i nærliggende transmisjonslinjer og større endringer i nettopologi. Hovedfokuset i analysene har vært å studere hvordan vannkraftverkets respons på forstyrrelsene endres når en vindmøllepark kobles inn i nettet. Hovedformålet har vært å tilegne seg kunnskap om kraftsystemsimuleringer og interaksjonen mellom generatorer. De sentrale delene i denne oppgaven er: • Teori om de vanligste vindturbintypene og stabilitetsteori. • Etablering av dynamisk vindturbinmodell • Dynamiske analyser av generatorresponser under endinger i systemet med forskjellige vindparker og lastflytløsninger. • Vurdering av hvordan integrasjon av vindturbiner kan påvirke kraftsystemets transiente polhjul- og spenningsstabilitet. DFIG- vindturbiner forbedrer spenningsstabiliteten i nettet ved å bidra med reaktiv støtte. Samtidig fører aktiv spenningsregulering fra DFIG- vindturbinene til større spenningsvariasjoner i vindparkens tilknytningspunkt. Integrasjon av vindparken fører til endret lastflyt i nettet. Denne lastflytforandringen endrer vannkraftverkets transiente respons på forstyrrelser i systemet. Innkobling av vindparken fører til tettere elektrisk kobling mellom vannkraftverket og atomkraftverket på samleskinne 151. Den elektriske koblingen mellom vannkraftverket og de resterende kraftverkene i systemet blir svakere når vindparken integreres. Dette fører til at verdien på vannkraftgeneratorens polhjulsvinkel i det transiente svingeforløpet øker. Integrasjon av vindkraft øker den roterende massen i kraftsystemet. Dette kan føre til reduserte frekvensendringer ved forstyrrelser dersom ikke andre enheter kobles ut i den aktuelle driftssituasjonen. Vindkraftverket kan ikke øke energiproduksjonen ved produksjonsunderskudd. Integrasjon av vindkraft fører til avbelastning av andre kraftverk, som dermed får økt roterende reserve. På denne måten bidrar vindkraftverket indirekte til økt roterende reserve i kraftsystemet.</p>

<p>The increasing focus on large scale integration of new renewable energy sources like wind power and wave power introduces the need for energy storage. Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) is a promising alternative for active power compensation. Having high efficiency, very fast response time and high power capability it is ideal for levelling fast fluctuations. This thesis investigates the feasibility of a current source converter as a power conditioning system for SMES applications. The current source converter is compared with the voltage source converter solution from the project thesis. A control system is developed for the converter. The modulation technique is also investigated. The SMES is connected in shunt with an induction generator, and is facing a stiff network. The objective of the SMES is to compensate for power fluctuations from the induction generator due to variations in wind speed. The converter is controlled by a PI-regulator and a current compensation technique deduced from abc-theory. Simulations on the system are carried out using the software PSIM. The simulations have proved that the SMES works as both an active and reactive power compensator and smoothes power delivery to the grid. The converter does however not seem like an optimum solution at the moment. High harmonic distortion of the output currents is the main reason for this. However this system might be interesting for low power applications like wave power. I</p>

<p>Multilevel converters have seen an increasing popularity in the last years for medium- and high-voltage applications. The most popular has been the three-level neutral clamped converter and still research is going on to improve the control of it. This master thesis was a continuation of the specialization project fall 2009. The main topics of current thesis were to further investigate the DC-bus balancing issues, compare symmetrical (one sampling per triangular wave) and asymmetrical (sampling at the top and bottom of the triangular wave) modulation, derive current equations for Space Vector and Double-Signal, improve output voltage in overmodulation and be able to DC-bus balance, and to implement the methods in the laboratory. Models of the three-level converter were made in the specialization project in both PSCAD and SIMULINK and further studies of the DC-bus balance were also made in this master thesis. None of the methods showed problems to regulate the DC-bus voltage when there was different capacitor values and unsymmetrical load. A PI controller was introduced for Space Vector but it did not show better performance than a regular P regulator. Asymmetrical modulation showed a clearly better performance than symmetrical modulation when the switching frequency was low compared to the fundamental frequency, especially for Space Vector. The 1st harmonic line-to-line voltage was closer to the wanted value and the THDi was significantly lower. Simulations also showed that the THDi can vary significantly depending on at which angle the first sampling is done. This is most clear for asymmetrical Space Vector modulation, but also for the other cases this pattern occurs. By implementing an overmodulation algorithm the amplitude of the 1st harmonic output voltage was closer to what was desired. Simulations showed how important it was to have three phase sampling symmetry in overmodulation. By having a wrong switching frequency the line-to-line output voltage dropped down to 2.06 when operating in six-step, when the wanted output value should be 2.205. Hence there is a quite large mismatch and the converter is sensitive to the switching frequency when it is operating in the higher modulation area. The balancing algorithm introduced for overmodulation is able to remove an initial offset without a notable change the 1st harmonic output. Both Space Vector and Double-Signal were tested in the laboratory with two separated DC-sources. Asymmetrical and Symmetrical modulation were tested and so was also overmodulation. The laboratory results confirmed the simulated results, but since the switching was not synchronized in the laboratory, some errors occurred.</p>