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

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.

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.

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>The tendency of connecting the loads to the three phase AC system through power electronic interfaces is increasing with time. These interfaces greatly affect the performance of the power system when properly operated. The injection of reactive power by these interfaces provides the possibility to support the voltage, increase the stability margins and decrease the power losses in the power system. The power electronic loads when tightly regulated consume constant power from the grid and therefore exhibit negative resistance instability behavior. A fast control system with high stability margins is desirable for the converters. This thesis deals with the control of power electronic loads and the stability of the AC distribution system. One of the objectives of the work is to understand the basic control structure of the converters and establish the tuning rules for the PI regulators of the converter controllers. A basic power electronic converter is considered and vector control method is implemented. A mathematical model of the control system for the converter is described and transfer functions are analyzed in frequency domain for different values of grid voltage. The simulations in time domain are performed in PSCAD/EMTDC software. The simulation results validate the results from the frequency domain analysis. The simulation analysis also shows that the stability of the converter in generation mode is higher as compared to when it acts as a load. A larger model of AC distribution system with different shares of loads is investigated for the transient stability. It has been observed through simulations that the injection of reactive power during contingency greatly improve the stability limits of the system. However this increase in the stability margins comes at the cost of an increase in converter current rating. A comparison between the distributed injection by parallel converter and centralized injection through STATCOM confirms the advantages of the distributed injection.</p>

<p>Næringsbygg står for en betydelig andel av energibruken i Norge. Ut fra økonomiske, samfunnsmessige og miljømessige forhold er det i dag et betydelig fokus på å redusere denne energibruken. Denne hovedoppgaven omhandler energisparepotensialer i næringsbygg. Bygget til Adresseavisen ASA på Heimdal utenfor Trondheim er blitt brukt som referansebygg da målinger og undersøkelser ble gjort der. Skal man redusere energibruken bør man også ha opplysninger om hvor energien blir brukt, når den blir brukt, hvor mye og bakgrunnen for forbruket. Det har også vært ønskelig å kartlegge om det er forskjell i energibruken i kontorlandskaper kontra cellekontorer, og hva som eventuelt er bakgrunnen for denne forskjellen. Med utgangspunkt i at energibruken skal være behovsprøvd og at energibruken skal reflektere antall brukere som benytter arealene har det her blitt benyttet tre metoder for å innsamle informasjon om energibruken. 1. Logging av effektuttak på sikringer i underfordelingen 2. Tilstedeværelsesdetektering og lysbruk 3. Spørreskjema Logging av effektuttak ble foretatt på døgn- og ukebasis over ulike gruppesikringer i to forskjellige områder. Det ene området var inndelt i cellekontorer, mens det andre bestod hovedsakelig av åpne kontorlandskap. For registrering av tilstedeværelse og lysbruk i et område ble det laget utstyr som ble testet og utprøvd, for å se om dette kunne gi verdigfull informasjon omkring lysbruken i områder, og for å avdekke eventuelle forskjeller mellom områdene. Et spørreskjema delt ut i slutten av måleperioden til et utvalg ansatte for kartlegging deres holdninger og vaner i forhold til eget energibruk. Målingene som ble foretatt viser at det er en forskjell i hvordan energien ble brukt i de ulike områdene. Cellekontorene hadde et energiforløp som nådde sitt toppunkt midt på dagen, for deretter å reduseres til et lavere og mer stabilt uttak over ettermiddagen, kvelden og natten. I noen tilfeller var energibruken om kvelden og natten lik, før ny arbeidsdag startet og energiuttaket økte igjen. Fra målingene fikk man inntrykk av at belysningen i fellesarealer og korridorer sto på store deler av døgnet. Kontorlandskapene hadde et noe annet forløp. Dette var preget av jevnt høyt uttak over store deler av døgnet, kun avbrutt av korte perioder noen netter der effektuttaket sank vesentlig. Tilstedeværelsesdetekteringen på cellekontorer ga indikasjoner på en brukstid av rommet i underkant av det driftstiden på belysningen var. Differansen mellom disse varierte en del fra kontor til kontor, men det som gikk igjen var at lyset ble slukket da brukerne forlot områdene for dagen. Målingene viste at brukstiden for kontorlandskapene lå opp mot 15 timer i døgnet, mens den på cellekontorene aldri oversteg 7,5 timer i døgnet. Lystiden var også ulik i de to områdene. På cellekontorene lå lystiden stort sett mellom 7 og 8 timer, mens den for kontorlandskap varierte mer, med flere tilfeller der lyset sto på hele døgnet. Spørreskjemaet bekreftet mye av det målingene viste i forhold til brukstid og vaner. Det var indikasjoner på at brukerne av cellekontorer var flinkere til å slukke lys og utstyr på eget kontor og i områdene rundt, enn det brukerne av kontorlandskap var. Resultatene fra målingene og undersøkelsene viser at differansen mellom behovet og forbruket av energi mange steder er høyt, og følgelig er også sparepotensialene høye i deler av installasjonen.</p>

<p>Tradisjonelle induksjonsovner bruker vekselstrøm for å indusere strømmer og varme opp større aluminiumsdeler. Effektiviteten til ovnene ligger normalt mellom 55-60%, noe som gir et stort forbedringspotensial. Ved å erstatte kobberspolene med spoler av superledere og vekselstrømmen med likestrøm vil tapene i spolene bli neglisjerbare. Aluminiumsdelen som skal varmes opp må da roteres for å se et vekslende felt, noe som medfører en samlet virkingsgrad for systemet på ca 90 %. SINTEF har sammen med flere samarbeidspartnere konstruert en 200kW induksjonsovn basert på MgB2 superleder. Denne rapporten tar for seg sammensammensetning og testing av en superledende spole for bruk i den planlagte induksjonsovnen. I rapporten er alle nødvendige deler og metoder for å sette sammen spolen beskrevet og forklart. Spolen består av totalt 16 disker som ble skjøtet sammen i serie. Hver disk er 550m og er viklet i en dobbel pannekake konstruksjon med 2 ganger 75 vindinger i hver disk. Under testingen brukte spolen 120 timer på å nå en stabil temperatur som lå under den kritisk temperatur for MgB2 superlederen (37K), og det ble gjort tester ved å føre en strøm på maks 10A gjennom spolen. Under strømtestene ble spenningsoppbygningen over alle skjøtene samt over alle spolediskene målt. Strømtestene avslørte at alle skjøtene i spolen hadde en motstand på under 60nΩ. En av spolediskene skilte seg ut og hadde en motstand på 66,6uΩ ved 10A, noe som tyder på et spoledisken har en defekt. Motstanden var for høy til å kunne gjøre tester med den planlagte strømstyrken på 200A. Induktansen til spolen ble målt til 4,9H.</p>

<p>Spenningskvaliteten har fått et større fokus de siste tiårene, dette har stor sammenheng med utviklingen av mye nytt og følsomt utstyr som kobles til kraftnettet. Utstyr som ofte består av mye kraftelektronikk. Bruk av simuleringsprogrammer vil være til stor støtte ved utvidelser i nettet, dette for å dokumentere at nette vil være innenfor kravene som er gitt i forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet, FoL. Dette kan spare utbygger for store kostnader som kan komme i ettertid av utbyggingen. Simuleringer vil også kunne gi raskere svar på forekomsten av feil med en lav hyppighet, sammenlignet med målinger ute i nettet. For å få en høy nøyaktighet må det kanskje måles over flere år. Ved simulering er det mulig å få svar innen få minutter. For finne ut hvordan situasjonen er i dag med tanke på simulering av leveringskvaliteten, ble det sendt ut en spørreundersøkelse til 123 FASIT ansvarlige i norske nettselskap. Resultatet fra denne undersøkelsen viser at 57 % av de 35 selskapene som svarte på undersøkelsen utførte simuleringer på en eller flere av de fenomenene som er omtalt i FoL. Årsaken til simuleringen er i hovedsak nye tilkoblinger eller ny produksjon. De fenomenene som flest simulerer på er langsomme variasjoner i spenningens RMS verdi, kortvarige over- og underspenninger og spenningssprang. Når det gjelder hvilken type programvare som brukes er det NetBas som er det dominerende programmet, fulgt av PSS/E. NetBas blir brukt i nesten 50 % av alle simuleringer som utføres av selskapene. PSS/E har kun en andel på litt over 10 %. Det er valgt å studere fenomenet spenningsdipp i nærmere detalj. Dette er et fenomen som er årsak til noen av de største kostnadene for et nettselskap etter avbruddskostnader. Det er utviklet et enkelt program i Matlab som gir en stokastisk simulering av spenningsdipp. Programmet baserer seg på Monte Carlo simulering, programmet bruker tre stokastiske variable: feilposisjon, overgangsmotstand og feiltype. Dette gir en fordeling av størrelsen på spenningsdipp ved to samleskinner på en radial. Brukeren taster inn data for linjen og kortsluttningsytelsen til det bakenforliggende nettet. Når det kommer til valg av simuleringsprogram for nettselskap, er det mange faktorer som er viktig å tenke på. Det kan være hvor ofte og omfattende selskapet skal simulere. Små selskaper kan være tjent med å leie inn konsulenttjenester for å gjøre jobben. Siden det vil kreve god kompetanse og stadig oppdatering for å kunne utføre slike simuleringer effektivt. Dette er også tilbakemeldinger som kom i forbindelse med spørreundersøkelsen. Et større selskap bør kunne se på muligheter for integrering mot eksisterende NIS systemer der alle data for nettet ligger lagret. Dette vil gjøre det enklere å få tilgang på inngangsdata. For å studere enkelte transiente fenomen vil det kreves en detaljert elektrisk modell av enkelte komponenter. Dette kan medføre en høy brukerterskel på mange programmer, særlig der modellen må bygges opp fra grunnen av.</p>

<p>Tromsø by er under konstant utvikling, både når det gjelder økning av innbyggertall og etablering av ny industri. Formålet med oppgaven er å utvikle en nettutviklingsplan for 11 kV distribusjonsnett forsynt fra Gimle transformatorstasjon for perioden 2010 til 2030 (analyserperioden). Gimle transformatorstasjon er lokalisert på Tromsøya Nord og er en svært viktig stasjon på Tromsøya da den blant annet forsyner Universitetssykehuset og universitetsområdet for øvrig samt Breivika Havn. Kraftnettet tilhører Troms Kraft Nett (TKN). I dag er transformatorstasjonen nesten full-lastet og det trenges mer effekt og energi i området. For å analysere hva morgendagens behov medfører, har en foretatt en teknisk /økonomisk analyse av nettet og fremtidige belastninger i området. Det er foretatt lastflytanalyser, tapsanalyser, og analyser av ikke levert energi (ILE). Drift og vedlikehold er ikke tatt med i analysen. Det er antatt full forsyningskapasitet fra det overliggende nettet i analyseperioden. Nettanalysene er utført i NetBas og benyttes videre for beregning av investerings-, taps-, og avbruddskostnader for alternativene. Det er summen av disse kostnadene for hvert alternativ som minimeres og alternativene rangeres etter totale kostnader i analyserperioden. Det foreligger med dagens prognoser en forventet lastøkning i størrelsesorden 15,5 MW i tillegg til en generell lastøkning i nettet som forsynes av Gimle transformatorstasjon. For å imøtekomme belastningsøkningen må det iverksettes tiltak. Det er gjort analyser på tre hovedalternativer for å se hvilket som er best egnet for å møte belastningsøkningen: 1. Reinvestere og utvide Gimle transformatorstasjon 2. Ny transformatorstasjon i Breivika havn 3. Ny transformatorstasjon nord på Tromsøya I hvert alternativ er det også tatt med kostnader som er felles for alternativene og som kommer uavhengig av hvilket alternativ som blir gjennomført. Det er reinvestering av kabler og fordelingstransformatorer, samt reinvestering av kontrollanlegg i Gimle transformatorstasjon. Disse har eller vil i løpet av analyseperioden overstige antatt teknisk levetid. Resultatene er delt opp i to forskjellige kategorier. Rimeligst alternativ og teknisk beste alternativ. Det er hovedalternativ 2, Ny transformatorstasjon i Breivika havn, med én krafttransformator og to kabler til eksisterende nett og en kabel til Solneset i 2016 som kommer rimeligst ut i forhold til totale kostnader i analyseperioden. Kostnaden er beregnet til 99 650 kkr. Det må bemerkes at dersom en monterer to krafttransformatorer med en gang vil dette føre til en økning av totale kostnader på ca 690 kkr. Det er usikkerhet om beregning av KILE kostnader er utført på optimal måte og det anbefales å montere to transformatorer med en gang siden dette er en bedre teknisk løsning. Differansen i totale kostnader mellom det å ha én kontra to krafttransformatorer er mindre enn differansen i investeringskostnadene, dette er på grunn av mindre taps- og forventede avbruddskostnader for alternativet med to krafttransformatorer. Betraktes beste tekniske løsning er det hovedalternativ 1, Reinvesterer og utvide Gimle transformatorstasjon, med 4 kabler til Breivika Havn samt 2 kabler til Solneset Boligfelt og ny ekstra krafttransformator T3 i Gimle, som er rimeligst løsning. Totale kostnader for alternativet er beregnet til 103 900 kkr. Det er vanskelig å komme med en entydig anbefaling av hvilket hovedalternativ som bør gjennomføres. Alternativene er like gode og differansen i totale kostnader mellom de forskjellige alternativene er liten. Det er derfor ingen alternativ som skiller seg direkte ut. Det anbefales i tillegg at det utføres mer inngående analyse av pålitelighet og teknisk tilstand for de forskjellige alternativene. Belastningsutviklingen må følges opp kontinuerlig og før en iverksetter investeringer må det undersøkes om forutsetningene har endret seg. Det er også viktig i en slik sammenheng å se nærmere på lokalisering, tomtekostnader, adkomst m.v. Dette inngår bare i svært begrenset grad i oppgaven.</p>

<p>Ved dimensjonering av tverrsnitt på elektriske ledere i et lavspenningsanlegg er det flere faktorer man må vurdere. Blant annet vil skjevlast og ulinearitet i lastene i TN-anlegg medføre strømmer i N-leder. Utstyr med mye elektronikk forårsaker store og små overharmoniske strømmer, noe som er grunnen til at lastene vil få ulineære strømmer. I NEK400 er det angitt en metode for hvordan det skal tas hensyn til slike harmoniske strømmer i N-leder. Denne oppgaven har sett på teorien bak de harmoniske strømmene. Hvordan de oppstår, hvilke konsekvenser de kan ha, og hva som kan gjøres for å redusere dem. Det ble videre gjort tester på forskjellig utstyr som vi vet har større harmoniske bidrag, og i tillegg ble det gjort målinger av utvalgte bygningstyper. Målingene viser at datamaskiner er en veldig stor bidragsyter til harmoniske strømmer, og at bærbare maskiner er verre enn stasjonære maskiner. Det ble sett på maskiner fra de siste 3 tiårene, og i de siste årene har det vært en kraftig forbedring. Det ble målt THDf helt ned i 68,1% (bærbare) og 17,0% (stasjonære) på de nyeste maskinene, i motsetning til på eldre maskiner med THDf helt opp mot 200%. Av lyskilder for hjemmebruk ble det påvist at de lyskildene som sannsynligvis vil bli mest brukt i fremtiden, sparepærer og LED, inneholder mye mer harmoniske strømmer enn glødepærer og halogenpærer som er mest brukt frem til i dag. Dette vil nok likevel overskygges av alle de andre fordelene man får ved å velge energisparende lyskilder. Problemer rundt harmoniske strømmer er uansett ikke veldig store i vanlig husholdning. Det ble i tillegg påvist at overgangen fra konvensjonell til elektronisk forkobling på lysrør har medført en merkbar nedgang i de harmoniske bidragene. Det ble også sett på damplamper til veibelysning, og med tanke på harmoniske strømmer var det ingen stor forskjell på om man velger høytrykksnatrium eller metallhalogenpærer. Da er det større mulighet for å finne forskjeller i de forskjellige forkoblingene. Det ble sett på tre forskjellige bygningstyper; undervisningsbygg, helsehus og kulturhus. Både undervisningsbygg og helsehus viste, som forventet, at yrkesbygg i disse kategoriene inneholdt lyskurser med harmoniske bidrag som var helt i grenseland for behov for reduksjonsfaktor ved dimensjonering. Stikkontaktkurser til datautstyr hadde store bidrag av harmoniske strømmer, med et påfølgende behov for bruk av reduksjonsfaktor ved dimensjonering. I kulturhus er det spesielt lys- og lyd-kursene som skiller seg ut fra andre typer bygg. Målingene fra scenelyskursen viste at det vil være store forvrengninger i strømmen, og at man i høyeste grad må ta hensyn til dette ved dimensjonering. Målingene på Studentersamfundet i Trondhjem (kulturhus) ble utført på IT-nett. Dette gjorde at disse falt litt utenfor hovedfokuset på oppgaven, som var overbelastning av N-leder. Det ble derimot oppdaget et overraskende fenomen. Alle odde trippelharmoniske var nesten helt kansellerte, mens det var store bidrag fra de andre harmoniske. Et laboppsett for målinger på IT-nett ble derfor satt opp. Her ble det konkludert med nettopp at, odde trippelharmoniske strømmer i et IT-nett vil kansellere hverandre i tilførselskabelen i et symmetrisk belastet anlegg. Men selv om disse er kansellerte i trefasekabelen finner vi dem likevel i selve lastene. Og strømmen i lastene blir ikke påvirket av usymmetri i anlegget, selv om det ser slik ut på tilførselskabelen.</p>