The necessity of a revolution in the electrical system is obvious, and smart meters will be the solution. The development of smart grids will be built over the new electronic measuring devices, which imply a challenge for the next few years in the engineering field.In order to understand the basics of smart grids, we have carried a description and comparison of both the current and the next-gen electrical systems. Emphasizing the advantages and opportunities obtained by changing into the smart grids, it demonstrates the importance of moving towards a more modern measurement system.A very important issue is to decide which should be the minimum features in Smart Meters, therefore this thesis analyzes the different exiting models and also proposes several suggestions for the future. Finally, it was conducted a report of the current deployment situation of this new technology in various representative countries. Describing the settings and options chosen by each country, we can achieve a conclusion that unifies a standard solution by the choice of the best proposals.

Forventninger om høyere kraftpris og et generelt økende effektbehov, i tillegg til økte muligheter for politisk aksept og tilskudd, gir økt interesse for å etablere nye fornybare produksjonskilder i Norge. Et gradvis økende antall interessenter melder sin ankomst, og nye produksjonsetableringer dreier seg primært om små vannkraftverk eller vindparker. Slike etableringer vil kunne medføre problemstillinger som krever relativt omfattende undersøkelser og analyser for å finne påvirkninger i tilhørende nettområder. I Fusa kommune i Hordaland er det stor satsing på små vannkraftverk. Dette gir behov for konsekvensanalyser i nettområder som berøres av integrasjonen. Over 20 nye småkraftverk er planlagt etablert. Disse befinner seg på ulike stadier i etableringsfasen. Hovedtyngden av småkraftverkene er planlagt tilkoblet på distribusjonsnettnivå, og dette nettområde er derfor tillagt mest fokus i dette arbeidet.Integrasjonen medfører at enkelte tiltak blir nødvendig i distribusjonsnettet for å kunne handtere den nye mengden kraftproduksjon. Enkelte overføringer vil kreve oppgradering for å unngå overbelastning i forhold til merkeverdier. Én av fire sekundærstasjoner mellom regionalnett og distribusjonsnett må oppgraderes til en høyere ytelse. For å unngå for høye spenninger i distribusjonsnett burde enkelte småkraftverk ilegges ansvar for reaktiv effektregulering. Med gjeldende koblingsbilde må totalt syv av de 21 planlagte enhetene kunne importere en mengde reaktiv effekt tilsvarende en kapasitiv effektfaktor på 0.95 dersom spenninger skal kunne holdes innenfor den definerte spenningsgrensa brukt i denne oppgaven.Småkraftverk vil påvirke systemets dynamiske stabilitet. Særlig den transiente responsen for systemet vil bli påvirket. Tilgjengelig dokumentasjon for småkraftverkene i systemet viser at alle er utstyrt med synkrongenerator. Det bør stilles krav til parameterverdier for denne typen generatorer i distribusjonsnettet, og da særlig angående generatorens reaktansverdier. Reaktansverdier for små generatorer vil være helt avgjørende for dens respons under transiente forstyrrelser. Analyser utført i dette arbeidet viser at transient reaktans i synkrongeneratorens direkteakse må ha en tilstrekkelig lav verdi for at generatoren skal kunne være transient stabil.I arbeidet er det benytta samme type transiente forstyrrelse for de fleste av analysene rundt det transiente aspektet. Denne forstyrrelsen er foreslått av SINTEF Energi AS som en standard for transient hendelse til bruk i slike analyser. Analysene viser at den transiente direkteakse reaktansen primært ikke bør ha verdier over 0.3 pu for at synkrongeneratorene, uavhengig av merkeytelse og belastningsgrad, skal være transient stabile mot nevnte forstyrrelse. Transient stabil verdi for denne reaktansen varierer med andre korresponderende reaktanser, men verdier over 0.3 pu vil kreve til dels urealistiske verdier for andre parametre i småkraftverkene. Hvilke reaktansverdier som kan tillates vil være svært avhengig av generatorens belastning. En belastningsgrad i området 70 % - 80 % vil gi lavere krav til reaktansverdier enn tilfeller med høyere verdier for samme forhold.Av det totale antallet på 21 småkraftverk er fire av disse allerede installert i distribusjonsnettet. For at disse skal være transient stabile mot forannevnte forstyrrelse må de redusere sin nominelle produksjon i forhold til det tilgjengelig dokumentasjon beskriver. Mengden som må reduseres for de fire som er installert avhenger av synkrongeneratorens reaktansverdier. Resultatene viser at generatorer med høye reaktansverdier må redusere sin relative produksjon mer enn generatorer med lavere reaktansverdier.For å kunne finne anbefalte verdier for reaktanser til nye småkraftverk er det utvikla en alternativ metode til bruk av dynamiske analyseprogram. Denne metoden gir reaktansverdier som skaper forutsetninger for at synkrongenerator er transient stabil mot den benytta typen forstyrrelse. Metoden er relativt mye forenkla i forhold til beskrivelser i relevant litteratur på området, og krever med dette et minimum av inputverdier. Metoden er testet og funnet tilfredsstillende til å kunne gi veiledende verdier for reaktanser til nye småkraftverk med synkrongenerator.

In this thesis a research on modern SiC semiconductor devices is made with a bias on the driving methods and requirements. A compact two-stage gate driver circuit for SiC VJFET is developed, the transistor is characterized and its gate requirements are estimated. The performance of developed driver is compared to the commercial SiC VJFET gate driver from SemiSouth. The conclusion is that both drivers behave similarly in switching the device in a half-bridge converter. In addition, the developed gate driver is a rather cheap solution compared to SemiSouth driver which is only available as engineering sample. Though, the optimization and especially shaping of the gate voltage/current waveforms must be done in order to extract the maximum performance of the SiC VJFET and obtain the lowest possible switching and on-state losses.Simulations are also carried out for validating the design of the board. The simulated circuit shows good correspondence with what was expected and described in scientific papers. The SiC BJT base driver circuit, which in addition was used to drive SiC MOSFET and SiC VJFET, is also characterized. The AC-coupled SiC BJT base drive circuit (section 3.6.3), which is also developed during the thesis, displayed a relatively good performance taken into account the simple design and cost effective nature of this driver.A characterization of different SiC transistors, i.e. SiC VJFET, SiC MOSFET and SiC BJT, is made. Two SiC Schottky diodes are also tested as the freewheeling diodes. Extensive experiments are performed on the developed half-bridge converter utilizing various combinations of SiC transistors, SiC diodes and gate/base driver circuits. The obtained results conclude that these new SiC transistors switch extremely fast and with relatively low energy losses, so that they can be used in high-frequency applications. Thus, converters that utilize SiC transistors can be made extremely compact. SiC BJT showed the best result with the highest switching speed and lowest energy losses compared to other two SiC transistors.

Modern electrical rail vehicles employ four-quadrant voltage source converters, which allow independent control of real and reactive power. This thesis focuses the control of reactive power at the vehicle regarding load flow and stability.Settings for power factor as a function of voltage were proposed in a project fall 2010, aiming to reduce line loss and increase transmission capacity. This thesis is mainly a further investigation of some of the settings proposed.One of the proposed settings for controlling reactive power is found to reduce the load of a rotary converter station in the range of 0-3 %. Total system losses are reduced by 0.21-0.33 %.During traction, the problematic issue regarding stability is found to be speed oscillations of the rotary converter. Controlling reactive power is found to have a limited damping effect on speed oscillations of a rotary converter. Other works have investigated how speed oscillations of the rotary converter can be damped by controlling the real power of the vehicle; the real power control is found to have a clearly better effect than reactive.During no-load operation, the problematic issue regarding stability is found to be oscillations caused by the vehicle and its control system. The vehicle control system and its response to the line voltage may cause instability, especially at long line lengths, regardless of any rotary converter. As reactive power has a significant effect on the line voltage, reactive power may be controlled in a manner increasing the damping of such oscillations significantly.Finally the thesis describes how a simulation model of a modern electrical rail vehicle for stability analysis can be made from the steady state characteristics and the input admittance of the vehicle, without knowing the complete vehicle model.The settings which where proposed and investigated in this project are optimized for a system fed by stiff voltage sources, not by rotary converters, and a more complete optimization for a system fed by rotary converters would be of interest.

Student:Anders HammerSupervisor:Kjetil UhlenContact:Daniel MotaCollaboration with:Voith HydroProblem descriptionIEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) presented in 2005 a new PSS structure named IEEE PSS4B (Figure 0 1). Voith Hydro wants to analyse the pros and cons of using this new type compared to older structures. The PSS4B is a multi-band stabilizer that has three separate bands and is specially designed to handle different oscillation frequencies in a wide range. Until now, Voith Hydro has used the common PSS2B in their installations, but in the future they will probably start to implement the new PSS4B. This master thesis will seek to find an answer on following questions:•How should the PSS4B be tuned to give the best damping of the local and inter-area oscillation mode?•Will an implementation of PSS4B give a better result compared to PSS2B?•What are the pros and cons of PSS2B and PSS4B? Figure 0 1: The multi-band stabilizer, IEEE PSS4B [1].MethodIn order to test and compare different PSS models, a simple two-area network model is created in a computer simulation programme (SIMPOW). One of the generating units is a hydro generator, which has a model of a static excitation system made by Voith Hydro. This network is characterised by a poorly damped inter-area oscillation mode, and in addition some local oscillation modes related to each machine. Different PSS structures (PSS2B and PSS4B) are then tuned and installed in the excitation system of the hydro generator, in order to improve the stability of the network. Different tuning methods of the PSS4B are designed, tested and later compared with the more common stabilizer the PSS2B. Simplifications are made where parts of the stabilizer is disconnected in order to adapt the control structure to the applied network and its oscillations. Totally 5 different tuning methods are presented, and all these methods are based on a pole placement approach and tuning of lead/lag-filters. ResultsInitial eigenvalues of the different setups are analysed and several disturbances are studied in time domain analysis, in order to describe the robustness of the system. Figure 2 illustrates the rotor speed of the generator, where the different PSS’s are implemented. PSS4B is clearly resulting in increased damping of all speed oscillations in this network. The same results can also be seen in an eigenvalue analysis.Conclusion The best overall damping obtained in this master thesis occurs when the high frequency band of the PSS4B is tuned first, and in order to maximize the damping of the local oscillation mode in the network. The intermediate frequency band is then tuned as a second step, according to the inter-area oscillation mode. Results of this tuning technique show a better performance of the overall damping in the network, compared to PSS2B. The improvement of the damping of the inter-area oscillation mode is not outstanding, and the reason is that the applied machine is relative small compared to the other generating units in the network. The oscillation modes in the network (local and inter-area) have a relative small frequency deviation. A network containing a wider range of oscillation frequencies will probably obtain a greater advantage of implementing a multi-band stabilizer.

The objective of this thesis work has been to investigate the electric system stability, reliability and power security of an “off-grid” isolated network system integration of an offshore wind farm to offshore oil and gas platforms via HVAC transmission, considering different network topologies for wind power penetration, network losses, application of FACTS devices and different system voltage levels. The system stability studies were performed by steady state and dynamic simulations, analysing different perturbation events in the system. The power system model under study was established as a continuation of a previous work concerning a single platform system. The model can be seen to represent the Oseberg oilfield in the Norwegian Sea consisting of five offshore platforms. The complete model represents a grid integration of the five offshore platforms with a total load demand of 147MW to an offshore wind farm of 100MW production via HVAC as an isolated system. Wind farm capacity is less but of comparable size to the total load. Each platform has its own offshore power generation units (Gas Turbines - GTs) to cover the load demand at each platform. Load demands were selected based on recently collected real operational power consumption data from Statoil, ASA. In this study, 8 GTs were installed at different specific platforms to cope with the load of 150MW. Three different network topology configurations were considered, denoted Star, Star-F and Meshed. Four types of perturbation/disturbance events were analysed: Starting of 9MW asynchronous motor at Platform4, loss of a GT at Platform4, sudden loss of wind power production and loss of interconnection cable between Platform1 and Plaform4. The dynamic system stability was assessed by measuring frequency and voltage deviations at specific load buses to ensure whether transient deviations were following offshore NORSOK or IEC standards correctly or not. For each type of disturbances, different topology aspects were considered and analysed for different outages and different cases of percentage of wind power penetration. It could be seen that generators at platforms in all cases were able to regain synchronism by maintaining terminal voltage and power factor within allowed ranges after disturbances caused by Starting of 9MW motor, loss of wind power, loss of a GT and loss of cable. This can be explained because the isolated network system has a strong spinning reserve capacity. But not all studied scenarios were dynamically stable, following NORSOK standards for transient of voltage and frequency variations. The results showed the importance of an integrated grid system: Starting of big induction motor was found not to give large frequency or voltage deviations compared to the previous study of a single platform system since the integrated system has a larger inertia. Voltage deviations were found most critical in case of starting big motors. In addition, a meshed topology have better performace with less voltage and frequency deviation compared to the other two topologies for all perterbation events and cases. The results also showed that loss of wind power was more critical at high wind power penetration levels. A 100% sudden loss of wind power gave unacceptable frequency deviations. The study of two different voltage levels, 36kV and 52kV showed that a 52 kV network gave better dynamic stability behaviour compared to the other one. The study of FACTS devices applications showed that a STATCOM was more efficient in dynamic control of voltage than an SVC due to its better reactive power compensation capability at lower voltage, thus improving power transmission capability for the same power ratings.

The research work is aimed on the investigation of possible modeling and control schemes for the dc-link of VSC, with the purpose of identifying the impact of such modeling and control on the dynamics of the conversion system. A system consisting of back-to-back converters with equivalent grid interconnection and source representation is designed in the software PSCAD/EMTDC using a detailed switching model of the inverter and rectifier components. The control technique based on the well-established concept of vector control is implemented. The main task of the master thesis is oriented towards the achievement of more reliable dc-link dynamics with smaller required capacitance. The control algorithm is based on balancing the power between inverter and rectifier through the dc-link with the minimum dc voltage variations. Dc-link voltage regulation is achieved by implementing a control based on the energy stored in the dc-link capacitor. Alignment to a dq synchronous reference frame orientation with PI regulators is used in the control philosophy for decoupling purposes.

Kvittingen kraftverk har vært i drift siden 1984 og det er behov for en større revisjon. BKK Produksjon, eier av kraftverket, ønsker å bringe kraftverket til en slik tilstand at videre drift kan sikres, med normalt vedlikehold, i minst 20 år etter revisjonens ferdigstillelse. Ved store revisjoner kartlegges også muligheten for effektøkning. Alle større prosjekter i BKK Produksjon bygges opp etter prosjektfasemodellen beskrevet i selskapets kvalitetsstyringssystem (KVALIK). Denne rapporten er en del av første fase i prosjektfasemodellen og vil være en del av mulighetsstudien for prosjektet. I rapporten er det utført en tilstandsvurdering av de ulike komponentene i kraftverket. BKK Produksjon bruker FDV-systemet ISY JobTech til forvaltning, drift og vedlikehold av sine produksjonsanlegg og tilstandsvurderingen er i hovedsak basert på informasjon registrert i dette systemet. Rapporten inneholder i tillegg en tilstandsrapport utarbeidet i forbindelse med inspeksjon av generator høsten 2011. Tilstanden for komponentene i kraftverket er generelt god og tiltak utover omfang for valgt reinvestering- og vedlikeholdsprogram utføres ikke.Sweco Norge har utført en studie av oppgraderingspotensialet for turbinen i Kvittingen. I studien ble det sett på to alternativer, der 10 % og 15 % effektøkning i forhold til dagens effekt ble vurdert. Dette tilsvarer ny turbineffekt på henholdsvis 46 MW og 48 MW. I vurderingene inngikk mekaniske beregninger av akselkoblinger, servokapasitet, stabilitets-beregninger, vannveistransienter i forbindelse med lastavslag, kavitasjonsmarginer og beregning av turbin- og anleggsvirkningsgrad. I modelleringen ble simuleringsverktøyet Alab benyttet. Studien viser at turbinen er romslig dimensjonert, og har betydelig potensiale for oppgradering til høyere effekt. Mye av potensialet vil kunne utløses ved å skifte løpehjul, stasjonære spalteringer og øvre del av sugerørskonus.Det ikke utført en ekstern studie for oppgraderingspotensialet for generatoren, men beregner av generatoren, Johan Amundsen er i den forbindelse kontaktet. Generatoren er mekanisk dimensjonert for 56 MW, men FIKS stiller krav om reaktiv reserve tilsvarende kapasitiv effektfaktor på 0,86 (overmagnetisert). Dette tilsvarer en aktiv effekt på 48 MW. Dette blir dermed begrensingen i generatoren. Selv om det ikke er behov for oppgradering av generatoren i dette tilfelle, er det i hoved-oppgaven utført en vurdering av hele energikjeden i kraftverket med tanke på flaskehalser. Resultatet viser at komponentene i kraftverket generelt har gode marginer med tanke på økt effekt. Under revisjonen skal kontrollanlegget i kraftverket fornyes. Dette innebærer blant annet nytt generatorvern og linjevern. I den forbindelse er det i hovedoppgaven utarbeidet en foreløpig releplan for generator, hovedtransformator og 132 kV linje. Valg av vernfunksjoner og forslag til innstillinger er utarbeidet i henhold til prinsippunderlag utarbeidet av BKK Produksjon og BKK Nett for vernebestykning i kraftverk og transformatorstasjoner.I hovedoppgaven er det utført to analyser i forbindelse med stor revisjon av Kvittingen kraftverk. Den første analysen tar i bruk en sviktmodell, utarbeidet av SINTEF Energi, for å vurdere lønnsomheten av omfang for- og intervall mellom hovedrevisjoner. I analysen ble tre alternativer vurdert. Referansealternativet representerer normalt omfang og intervall, mens de andre alternativene tar utgangspunkt i lengere intervall og mindre omfang. Kostnader i forbindelse med svikt, reinvesteringer, modifikasjoner, rehabiliteringer og utilgjengelighet blir sammen med inntekter for økt virkningsgrad i turbin, økt falltap, optimalisering av drift, redusert flomtap og grønne sertifikater, sammenlignet i verktøyet Vedlikeholdskalkyle. Årlig kostnad for svikt ble beregnet ut i fra etablerte levetidskurver for ni utvalgte skadetyper i turbin, generator og hovedtransformator. Disse ble etablert med utgangspunkt i design, tilstand og alder. Analysen viser at normalt omfang og intervall i referansealternativet gir høyest netto nåverdi og er mest lønnsomt. Modellen tar ikke hensyn til skatter og inflasjon. I den andre analysen ble det utført en investeringsanalyse for økt effekt. Alternativer for økt effekt, beskrevet i studie fra Sweco, ble vurdert opp mot alternativ for utbedring av eksisterende løpehjul. Beregninger i analysen ble utført av investeringsanalytiker i BKK Produksjon, Erik Ferning, men oppsett og inputverdier ble utarbeidet i denne hovedoppgaven. Analysen viser at økt effekt vil være lønnsomt. Dette med økt nåverdi på 12 MNOK og 16 MNOK for henholdsvis ny effekt på 46 MW og 48 MW. I rapporten ble det sett på sensitivitet i forhold til kraftpris, levetid, drift- og vedlikeholdskostnader, investeringskostnader, analyse-periode og virkningsgrad. Sensitiviteten viser at investeringen er robust, der kraftpris har størst innvirkning på lønnsomheten. I denne analysen er både skatter og inflasjon inkludert.

The subsurface grounding network of high voltage substations is installed as a protective measure to prevent dangerous touch- and step voltages inside the substation area. The main objective of this master thesis is to map the different parameters that will influence the performance of the grounding system, and to what extent the performance will be affected. Samnanger substation and the electrical network connected to it are used as a basis for the simulations conducted in CDEGS – AutoGrid Pro.Two different networks were used in the simulations; Network 1 with a specified two layer soil model, and Network 2 with a specified grounding network resistance to earth of 2 Ω. Network 1 was used where the simulation objective was to investigate how the resistance to earth changed with varying parameters, while Network 2 was used for all other simulations.Thirteen different simulations were conducted: Initial modeling, Insulating surface layer modeling, Varying fault duration, Varying soil conditions at Samnanger substation, Varying RE at adjacent substations, Varying Rt for overhead line towers, Varying mesh density, Varying cross sectional value of earth electrodes, Meshed network including vertical rods, Meshed network including vertical rods embedded in conductive additives, Disconnection of overhead line earth conductors, Increased single-phase-to-earth short circuit current, and Three phase short circuit current.The simulations showed that:•UT < UTp inside the switchyard bays during normal conditions when tfault = 1 second, but in some of the “open” areas inside the substation UT > UTp. Using a 3000 Ωm-10 cm insulating surface layer and tfault = 0.06 second eliminates all dangerous UT for an Ik1 fault. Same effect for Ik3 using 3500 Ωm-20 cm surface layer and tfault = 0.06 second•US < USp for all simulations•The soil resistivity and its composition is decisive when it comes to UT and US•The value of RE of adjacent substations have very little to neglectable effect on the grounding network performance at Samnanger•The value of Rt has a large effect on the grounding network performance at Samnanger and adjacent substations•Based on conditions used in this master thesis, Statnett Earthing Guidelines with respect to mesh density seems too conservative when considering 50 Hz grounding. Transient conditions have not been simulated•The cross sectional value of the grounding network electrodes has little effect on the grounding network performance•Vertical grounding rods have little effect in soils with high resistivity•Vertical rods embedded in conductive additives were ineffective using the recommended modeling method in AutoGrid Pro

Denne rapporten er et resultat av en masteroppgave våren 2012 ved NTNU omhandlende vurdering av styringsstrategier for veglys og tilleggsfunksjonalitet med AMS i veglysanlegg. Vegbelysning er et viktig tiltak for trafikksikkerhet, men medfører også store kostnader til investering, drift og vedlikehold. Slike kostnader er mulig å redusere ved å bytte fra konvensjonell av-/på-styring til regulering av belysning etter behov med intelligente styrings-system via toveiskommunikasjon.Oppgaven er basert på måledata fra 9 av totalt 11 lysarmaturer i et testanlegg i Høgskole-ringen ved NTNU Gløshaugen. Armaturene er tilknyttet et intelligent styringssystem med toveis¬¬kommunikasjon over powerline med LonWorks. Styringsprogrammet for testanlegget muliggjør kontinuerlig regulering av belysningsnivå ut fra målt luminans i vegbanen sammenlignet med gjeldende krav. Resultatene fra funksjonsprøving av testanlegget er basert på måledata fra perioden 14. januar til 31. mai 2012. Over hele perioden er det oppnådd et gjennomsnittlig pådrag til armaturene i testanlegget på 69 %. Dette har sammen med redusert brenntid på 6,5 % og 8,1 % ført til besparelser på 31,6 % (642 kWh) og 32,8 % (678 kWh) med behovsstyring, i forhold til av-/på-styring med henholdsvis fotocelle og astronomisk ur.Funksjonalitet med eksisterende AMS-løsninger for veglysanlegg har flere likhetstrekk med intelligente styringssystem i tilknytning til overvåkning og styring. Intelligente styringssystem har imidlertid bedre muligheter for regulering av belysning, som fører til et større spare-potensial og vil gi en helhetlig bedre løsning. Bruksområder for måledata i AMS som er vurdert med størst nyttevirkning i veglysanlegg er; jordfeilregistrering, deteksjon av utløste vern, deteksjon av lampeutfall basert på timesverdier for energiforbruk samt overvåkning av komponenter i tennskap.