In the aftermath of the liberalization of European Energy Markets in the 2000s, Power Exchange platforms have constantly evolved towards more integrated and competitive designs, where quality forecasts and effective optimization strategies play decisive roles. This study presents the development of a hydropower scheduling optimization algorithm for the Day-Ahead spot market using Mixed Integer Linear Programming (MILP). This work was supported by the hydro asset management team of ENGIE Global Energy Markets (GEM) located in Brussels.  The model developed is focusing on the optimization of Coindre Hydraulic Power Plant (HPP), located in the highlands of Massif Central in France. With the combined water discharge of its two interconnected reservoirs, Grande-Rhue and Petite-Rhue, the powerhouse can reach up to 36 MW of power output capacity. The two reservoirs are located kilometres apart from each other and have different storage capacities and catchment areas. The reservoirs naturally exchange water due to the level difference along an interconnection pipe. Maximum power output is limited by water level differences in both reservoirs, which makes modelling complicated. These operational constraints are a limiting factor in terms of operability, as a result the scheduling process is a non-trivial task and is time-consuming.  A framing study of the power plant was conducted over a hydraulic year to identify the governing parameters of the model. The multi-reservoir nature of the optimization problem oriented the model development towards a Mixed Integer Linear Formulation. After experimenting with different solvers, Gurobi 28.1.0 was chosen for its performance in the Branch and Cut Algorithm for the power scheduling task.  The performance of the new model has been validated by re-running the model on past production plans, results show that reservoir volume errors are less than 5% of their respective capacities on a 5 days’ time-horizon. After backtesting it was found that the new optimization strategy results in higher revenue for the plant due to the optimized operation at higher average energy prices. The results also bring out the importance of proper valve actuation in the optimization strategy, as well as the need for future studies. / Till följd av liberaliseringen av de europeiska energimarknaderna under 2000-talet har energiföretagen och elbörserna ständigt utvecklats mot mer integrerade och konkurrenskraftiga lösningar, där kvalitetsprognoser och effektiva optimeringsstrategier spelar avgörande roller. Detta examensarbete presenterar utvecklingen av en algoritm för optimering av vattenkraftplaneringen på Day-Ahead elmarknaden med hjälp av en matematisk modell av typen Mixed Integer Linear Programming (MILP). Arbetet initierades av och utfördes hos ENGIE Global Energy Markets (GEM) i Bryssel.  Modellen som utvecklats är tänkt att optimera Coindre vattenkraftverk, som ligger på höglandet inom Massif Central i Frankrike. Med det kombinerade vattenutsläppet från dess två fördämningar, Grande-Rhue och Petite-Rhue, kan kraftverket leverera upp till 36 MW el netto till elnätet. Vattenreservoarerna ligger flertalet kilometer ifrån varandra och har mycket olika kapacitet och upptagningsområden. Båda reservoarerna är kopplade till varandra genom det gemensamma tilloppsröret till kraftverket, där en reglerventil finns endast vid Petite-Rhue. Vatten kan växlas naturligt mellan de två dammarna när ventilen är öppen på grund av skillnaden i varderas vattennivå. Den maximala effekten från kraftverket är begränsad av vattennivåerna i båda reservoarerna vilket gör optimeringsmodelleringen komplicerad. Dessa operationella begränsningar är mycket hindrande vad gäller valet av driftsregim, eftersom kalkylering av driftsplaneringen blir en svår och tidskrävande uppgift.  En ramstudie av vattenkraftverket genomfördes under ett typiskt hydrauliskt år för att identifiera modellens styrparametrar. Den möjliga vattenöverföringen mellan de två dammarna orienterade modellutvecklingen mot en Mixed Integer Linear Programming (MILP) formulering. Efter att ha experimenterat med olika kalkylverktyg valdes Gurobi 28.1.0 för sin bra prestation i lösningen av Branch and Cut-algoritmen.  Systemets hydraulik har validerats genom att injicera realiserade produktionsplaner som input till modellen. Resultaten visar att volymfelet är mindre än 5% av deras respektive kapacitet under en 5-dagars tidshorisont. Efter tvärstester mot historiska data konstaterades det att den nya optimeringsstrategin resulterar i bättre genomsnittliga elpriser på varje kWh inmatad till nätet och högre intäkter för kraftverket. Resultaten visar också på vikten av korrekt ventilmanövrering i optimeringsstrategin.  Modellen körs i rimliga beräkningstider och redan används i den dagliga optimeringen av Coindre kraftverket, vilket sparar mycket tid. Specifika exempel på den optimerade prestandan och framtida förbättringar hittas i slutet av denna rapport.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22052号 / 工博第4633号 / 新制||工||1722(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 角 哲也, 准教授 Sameh Kantoush, 准教授 竹門 康弘 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Globally, a significant portion of energy comes from hydropower. However, harnessing hydro energy interrupts the natural state of river flows, thus affecting the ecological processes of the surrounding communities. In this thesis, a water level control model is described to sustain a desired head for a hydropower plant despite the nature of the stream flows. A scientific analysis is carried out on the physical set up of a hydropower reservoir via mathematical modelling. The study depicts that the amount of electric power, Pe(t) generated from a specific hydro reservoir is mainly controlled by the current water level, h(t) and its corresponding outflow volumes, fout(t). However, these two variables are largely constrained by the behaviour of the inflow volumes, fin(t). So, by relating the torque-force balance equations of all the dynamic elements involved we develop a mathematical model that maintains a steady water level at sustainable inflow rates. The Routh-Hurwitz stability criterion and the Final Value theorem are applied to decide the PD-control actions that stabilize the system. The penstock cross-sectional area, Ap is varied to attain the correct fout(t) for the desired h(t). The model behaviour is verified using Simulink simulation software. Eventually, the model accounts for hydroelectric power production patterns that depends on the nature of the stream flow rates.

Vattenkraftverk och dammar utgör vandringshinder både vid upp- och nedströmsvandring för flertalet fiskarter. En åtgärd för att minska vandringshindrens negativa påverkan på migrerande arter är att anlägga fiskpassager som underlättar upp- och nedströmspassage. Galleravledare med flyktöppning är en åtgärd som syftar till att hindra nedströmsvandrande smolt från att simma in i vattenkraftverksturbiner och riskera förhöjd dödlighet. Syftet med studien var att undersöka funktionen av en galleravledare med tillhörande flyktväg till en naturfåra vid Strömsbro kraftverk i Testeboån. Med hjälp akustisk telemetri undersöktes laxsmoltens vägval vid galleravledaren, dess överlevnad vid passage via naturfåran respektive genom kraftverkets turbiner samt skillnaden i tidsåtgång mellan dessa passagealternativ. Totalt märktes 60 smolt med sändare i mitten av maj 2022. Tio mottagare placerades ut på drygt 5 km av Testeboåns nedersta del. Hög dödlighet (45%) från utsläppsplatsen till kraftverket resulterade i att endast 30 individer inkluderades i studien. Resultatet visade, likt tidigare undersökningar vid Strömsbro kraftverk, att majoriteten (2/3) av smolten simmar genom kraftverket.Ingen dödlighet observerades för smolt som passerade via naturfåran medan dödligheten var 25% för smolten som passerade genom kraftverket. Av de smolt som nådde fram till Strömsbro kraftverk tog sig 64% till Testeboåns mynning, vilket motsvarade totalt 35% av den märkta smolten. Tidsåtgången var betydligt högre i naturfåran jämfört med kraftverket, vilket visar på fördröjning för smolt som passerar Strömsbro kraftverk via naturfåran. Resultaten antyder en dålig funktion av galleravledaren vid Strömsbro kraftverk med förhöjd dödlighet som följd. En orsak kan vara utformningen av galleravledaren. Vidare undersökning av möjligheterna för en förbättrad funktion av galleravledaren vid Strömsbro kraftverk bör vidtas. / Hydropower plants and weirs serve as barriers for both up- and downstream migration for multiple species. To minimize the negative impacts of barriers on migrating fish species, fish passages are constructed to allow for upstream and downstream passage. Angled bar racks together with a bypass are a solution that are meant to lead fish away from the power plants intake. The aim of this study was to investigate the efficiency of an angled bar rack with bypass leading to the old riverbed at Strömsbro hydropower plant in Testeboån River, Sweden. Acoustic telemetry was used to investigate Atlantic salmon smolts passage efficiency at the angle bar rack and subsequent path choice. It was also used to evaluate mortality for both the old riverbed and the passage through the power plant, as well as the difference in time between the two passages. 60 smolts were marked with acoustic transmitters in May 2022 and ten acoustic receivers were placed over the lower 5 km in Testeboån River to evaluate their migration. High mortality (45%) from the release site to the power plant resulted in only 30 individuals being used for the evaluation. The result showed, like former studies at Strömsbro, that the majority (2/3) of the smolt passed through the angled rack and through the power plants intake. There was no mortality for the old riverbed and 25% for the passage through the power plant. Overall, the success of downstream migration past Strömsbro power plant was 35% of marked smolts and 64% of the individuals reaching Strömsbro power plant. Smolt passage took longer through the old riverbed in comparison to the passage through the power plant, which shows some delay for smolts passing Strömsbro power plant through the old riverbed. The result implies low efficiency of the angled bar rack at Strömsbro power plant, leading to increased mortality. The design of the angled rack might be one reason for this. Further investigation about the possibilities to increase the efficiency of the angled rack at Strömsbro power plant should be considered.

Förlorad biologisk mångfald är ett av de största hoten mot vår planet, och i sötvatten har populationer av migrerande fiskarter minskat med 76 % sedan 70-talet. Ålen är en art som hotas av utrotning på grund av antropogen inverkan, framför allt på grund av kraftverksdammar som fragmenterar habitat och förhindrar artens livsnödvändiga migration upp- och nedströms vattendrag genom avsaknad av passagelösningar. Syftet med studien var att undersöka möjligheten att vidareutveckla ålpassagelösningar med substratet EF-16, detta genom att testa klättringsframgången för glasålar vid två olika passageramper och två olika flöden (3 l/min och 9 l/min). Varje passagelösning bestod av fyra passageramper positionerade i bredd, med EF-16 monterat varannan ramp antingen rakt eller lateralt v-format. Resultatet från studien visade att de optimerade v-formade passageramperna gav signifikant fler klättringar vid höga flöden, samt att placeringen av ramperna också hade signifikant betydelse för valet av ramp. Kroppsvikten för ålar hade däremot ingen effekt för passageframgången. Denna studie betonar vikten av framtagandet av effektiva passagelösningar för glasålar som fungerar vid stora variationer av flöde vid kraftverksdammar. Genom att fler ålar kan migrera uppströms vattendrag förbi kraftverksdammar till sina uppväxtområden, kan förhoppningsvis ålstammen räddas. / Biodiversity loss is one of the biggest threats to our planet, and in freshwater, populations of migratory fish species have declined by 76% since the 1970s. The eel is a species threatened with extinction due to anthropogenic impact, mainly due to power plant dams that fragment habitat and prevent the species' vital migration up and down streams through lack of passage solutions. The purpose of the study was to investigate the possibility of further developing eel passage solutions with the substrate EF-16, by testing the climbing success of glass eels at two different passage ramps and at two different flows (3 l/min and 9 l/min). Each passage solution consisted of four passage ramps positioned widthwise, with EF-16 mounted either flat or lateral v-shaped every other ramp. The study shows that the optimized v-shaped passage ramps gave significantly more climbs at high flows, and that the location of the ramps also had a significant impact on the choice of ramp. The body weight of eels, on the other hand, had no effect on passage success. This study emphasizes the importance of the development of efficient passage solutions for glass eels that can be applied at large variations in flow at power plant dams. By allowing more eels to migrate upstream watercourses past hydropower plants to their spawning grounds, the eel population can hopefully be saved. / Optimerade passagelösningar för ål, 52096-1

En stor del av jorden består av vatten och hela 7% av biodiversiteten på jorden är stödd av färskvattensystem. Detta gör dessa system till mycket värdefulla och det är viktigt att en hållbar utveckling främjas för att inte äventyra dessa system. Vattenkraft och dammar utgör idag ett av de största hoten för den biologiska mångfalden i sjöar och vattendrag. Då effekterna på miljön av vattenkraftverk blivit alltmer uppmärksammade och nya krav ställs på att vattenkraftverk ska följa EU:s miljökrav kommer avveckling och utrivning av vattenkraftverk och dammar troligtvis att bli vanligare. Syftet med studien är att undersöka hur allmänheten ser på att avveckla och riva ut vattenkraften och dammar i Nyköpingsån, detta kan bidra med en bild av huruvida befolkningen bemöter förändring i närområdet och en förbättrad kunskap kring hur olika faktorer påverkar riskuppfattning hos medborgare. Enkätstudie har genomförts, enkäten har varit tillgänglig via internet och totalt kom 51 svar in. Datat analyserades med hjälp av korstabeller och chi-två test. Resultatet visade att det geografiska avståndet inte hade någon signifikant påverkan. Utbildningsnivån hade inte heller någon signifikant påverkan även om en något lägre riskuppfattning hos individer med högre utbildningsnivå fanns. Nuvarande elavtal hade en signifikant påverkan på riskuppfattningen. Studien visade att individer uppfattar risk på olika sätt, för framtida studier skulle det vara önskvärt att fördjupa med kvalitativ studie. / A large part of the earth consists of water and 7% of all biodiversity on earth is supported by freshwater systems. This makes these systems very valuable, and it is important that sustainable development is promoted as not to jeopardize these systems. Hydropower and dams are among the biggest threats to biodiversity in lakes and rivers. As the effects on the environment from hydropower gained more attention and new requirement are set on hydropower to meet EU: s environmental requirements, removal of hydropower and dams will likely become more common. The purpose of this study is to investigate how the public perceives the removal of hydropower and dams, this could contribute to a picture of how the public meets change in the local area and improve knowledge of how different factors affect the risk perception among citizens. A survey was conducted, the survey was accessible through internet and a total of 51 was received. The data were analysed with the help of crosstabs and chi-square test. The results showed that the geographical distance did not have a significant effect on risk perception. The level of education did not have a significant effect though a slightly lower risk perception among individuals with higher education levels existed. Currants electricity contract did have a significant effect on the risk perception.

As more and more renewable energy sources like wind and solar power are added to the electricgrid, reliable sources of power like hydropower become more important. Hydropower isabundant in Scandinavia, and helps to maintain a stable and reliable grid with added irregularitiesfrom wind and solar power, as well as more fluctuations in demand. Aside from the reliabilityaspect of hydropower, power producers want to maximize their profit from sold electricity. InSweden, power is bid to the spot market at Nord Pool every day, and a final spot price is decidedwithin the electricity market. There is a different electricity price each hour of the day, so it ismore profitable to generate power during some hours than others.There are many other factors that can change when it is most profitable for a hydropower plant tooperate, like how much local inflow of water there is. Hydropower production is an ideal case forusing optimisation models, and they are widely used throughout industry already. Though theoptimisation calculations are done by a computer, there is a lot of manual work from the spottraders that goes into specifying the inputs to the model, such as local inflow, price forecasts, andperhaps most importantly, market strategy. Due to the large amount of work that needs to be donefor each hydropower plant, many of the smaller power plants are not optimised at all, but are leftto run on an automatic control that typically tries to maintain a constant water level. In Fortum,this is called, VNR, or vattennivåreglering (water level regulation).The purpose of this thesis is to develop an optimisation algorithm for a small hydropower plant,using Fortum owned and operated Båthusströmmen as a test case. An optimisation model is builtin Fortum’s current modelling system and is tested for 2016. In addition, a mathematical model isalso built and tested using GAMS. It is found that by optimising the plant instead of running it onVNR, an increase of about 15-16% in profit could be seen for the year 2016. This is a significantimprovement, and is a strong motivator to being optimising the small hydropower plants.Since the main reason many small hydropower plants are not optimised is because it takes toomuch of employees time, a second phase of this thesis was conducted in conjunction with twoother students, Jenny Möller and Johan Wiklund. The focus of this portion was to develop acentralized controller to automatically optimise the production schedule and communicate withthe central database. This would completely remove the workload from the spot traders, as wellas increase the overall profit of the plant. This thesis describes the results from both the Fortummodel and the GAMS model, as well as the mathematical formulation of the GAMS model. Thebasic structure of the automatic controller is also presented, and more can be read in the thesis byMöller and Wiklund (Möller & Wiklund, 2018). / Tillförlitliga energikällor som vattenkraft blir allt viktigare vart eftersom elkraftsystemet utökasmed fler förnybara energikällor som vindkraft och solenergi. I Norden finns det rikligt medvattenkraft, vilket bidrar till att upprätthålla ett stabilt och pålitligt elnät även med ökadeoregelbundenheter från vindkraft och solkraft samt större variationer i efterfrågan. Bortsett frånvattenkraftens tillförlitlighetsaspekter vill kraftproducenter maximera sin vinst från såld el. ISverige läggs dagligen bud på effektvolym till spotmarknaden Nord Pool och ett slutgiltigtmarknadspris bestäms därefter av elmarknaden. Varje timme under dygnet motsvarar ett enskiltelpris, därmed är det mer lönsamt att generera effekt under de timmar där priset är som högst.Det finns många andra faktorer som påverkar när det är mest lönsamt för ett vattenkraftverk attproducera el, exempelvis hur stort det lokala inflödet av vatten är. Vattenkraftproduktion är idealtför tillämpning av optimeringsmodeller, vilka är vanligt förekommande inom verksamhetsområdet.Även om optimeringsberäkningarna utförs av en dator innebär optimeringen mycket manuelltarbete för Fortums elhandlare som specificerar indata till modellen. Exempel på indata är lokaltinflöde, prisprognoser och kanske viktigast av allt marknadsstrategi. På grund av den storamängden arbete som fordras för varje vattenkraftverk, optimeras inte produktionen för många avde småskaliga kraftverken utan de regleras automatiskt med mål att upprätthålla en konstantvattennivå. Denna typ av reglering kallas vattennivåreglering, VNR.Syftet med examensarbetet var att utveckla en optimeringsalgoritm för ett småskaligtvattenkraftverk, där Fortumägda vattenkraftverket Båthusströmmen används som testobjekt. Enoptimeringsmodell utvecklades i Fortums befintliga system och testades för 2016. Dessutom haren matematisk modell utvecklats och testades med GAMS. Det konstaterades att genom attoptimera produktionen från vattenkraftverket istället för att reglera den via VNR kan envinstökning med cirka 15-16 % för noteras år 2016. Detta är en väsentlig förbättring och är ettstarkt argument för att optimera produktionen från småskaliga vattenkraftverk.Eftersom den främsta orsaken till att många småskaliga vattenkraftverk inte optimeras är denutökade arbetsbelastningen det skulle innebära för de anställda, genomfördes en andra fas iexamensarbetet i samverkan med två andra studenter, Jenny Möller och Johan Wiklund. Fokus fördenna del var att utveckla en centraliserad styrenhet för att automatiskt optimera produktionsplaneroch kommunicera med det befintliga centrala systemet. Detta innebär att utökad arbetsbelastningenfrån elhandlarna undviks, samt öka vattenkraftverkets totala vinst. Denna rapport beskriverresultaten från både Fortum-modellen och GAMS-modellen, liksom den matematiskaformuleringen av GAMS-modellen. Även grundstrukturen för det självreglerandeoptimeringsverktyget presenteras, mer kan läsas i rapporten av Möller och Wiklund (Möller &Wiklund, 2018).Nyckelord: Optimering, vattenkraftplanering, självreglerande, automatisk styrning, optimalplanering

Småskaliga vattenkraftverk regleras vanligtvis med avseende på vattennivån i magasinet eller vattenflödet, utan hänsyn till efterfrågan på elkraft. Examensarbetet utfördes på uppdrag av Fortum Generation som önskade att undersöka möjligheten att istället automatiskt optimera planeringen och regleringen av de småskaliga vattenkraftverken med hänsyn till prisbild, verkningsgrad, vattensituation, miljödomar, miljöhänsyn samt mekaniskt slitage. En optimeringsalgoritm framtagen i en parallellt pågående studie låg till grund för examensarbetet. En prototyp som skulle autoplanera produktionen och reglera ett enskilt vattenkraftverk skulle utvecklas, där det genom simulering skulle fastställas om en realisering av optimeringsalgoritmen i ett verktyget är möjlig och lönsam. Båthusströmmen, som användes som testobjekt för examensarbetet, ägs av Fortum och är ett småskaligt vattenkraftverk i Österdalälven. En kostnadseffektiv prototyp av ett optimeringsverktyg för automatisk planering och reglering av småskaliga vattenkraftverk utvecklades och testades genom simulering. Prototypen utvecklades i form av en mjukvara vilken utför optimeringen och kommunicerar kontinuerligt med befintliga optimerings-, övervaknings- och styrsystem. Resultaten av utförda kommunikationstester och simulerade optimeringar visade att en realisering av algoritmen i ett optimeringsverktyg är möjlig och förväntas öka effektiviteten för Båthusströmmen och därmed öka intäkterna för kraftverket. / Small-scale hydropower plants are usually controlled considering either the reservoir level or the water flow, regardless of the electricity demand. This thesis was conducted on behalf of Fortum Generation that wanted to investigate the possibility to automatically optimise the production plans and control of small-scale hydropower plants based on electricity price, generator efficiency, water situation, environmental restrictions, environmental concerns, and mechanical wear. The thesis is a continuation of a study where an optimisation algorithm was developed. A prototype that could automatically plan the production and control of an individual hydropower plant would be developed, and then based on simulations it would be determined if an implementation of the algorithm in an optimisation tool is possible and profitable. Båthusströmmen, the test case for this thesis, is owned by Fortum and is a small-scale hydropower plant in Österdalälven. A cost-effective prototype of an optimisation tool for automated planning and control was developed and tested through simulations. The prototype was developed as a software that performs the optimisation and communicates continuously with the existing optimisation, supervisory and control system. The results of the communication tests and optimisation simulations showed that an implementation of the algorithm in an optimisation tool is possible and is expected to increase the efficiency of Båthusströmmen and therefore increase the profit of the power plant.

In the future, hydropower plants are expected to operate more flexibly. This will lead to a more varied operation of the turbine and the generator, such as more start and stop in order to stabilise the frequency in the grid. Studies show that these transient operations are more costly in terms of fatigue degradation, i.e. consumption of fatigue life. Vattenfall has developed a methodology with the aim to analyse fatigue loads, acting on the runner and the rotor in hydropower units during operation. With a numerical model, the loads are assessed with input data gathered from measurements together with given data on several parameters. Some of the input data are bearing structure stiffness, bearing oil properties, and point of action of forces, etc. Several of these input parameters are subject to a degree of uncertainty, which affect the assessed fatigue load, determined with the methodology. This study will focus on analysing one fatigue force component acting on the runner. The aim with this study is to answer the following research questions: (i) Which input parameters, that are subject to a degree of uncertainty, contribute the most to the combined standard uncertainty in the assessed fatigue force? (ii) How much does the combined standard uncertainty in the assessed fatigue force amount to? (iii) How does the uncertainty in the assessed fatigue force affect the fatigue damage?. The combined standard uncertainty in the fatigue force is determined with methods in uncertainty propagation. In order to evaluate the effect from the uncertainty in the fatigue load on the fatigue damage, a statistical analysis of the ratio between the fatigue damage associated with a probability of exceedance and the expected fatigue damage is conducted. From the results it can be observed that the governing uncertainty parameter is the offset of the shaft displacement signal, which amount to 40 % of the combined standard uncertainty in the fatigue force. Of the nine analysed uncertainty parameters, three parameters are bearing properties parameters, i.e. the bearing clearance, the oil film temperature and the point of action of bearing forces, which amount to 47.5 % of the combined standard uncertainty in the fatigue force. Therefore, in order to decrease the uncertainties, focus should be kept on the bearing properties. Given each parameters uncertainty, the ratio between the combined standard uncertainty in the fatigue force and the expected fatigue force amount to 7 %. This corresponds to a ratio between the standard uncertainty in the fatigue damage and the expected fatigue damage of 35 %, due to the value of the index of S-N curve of five. Given the standard uncertainty in the fatigue force together with the index of S-N-curve, the ratio between the fatigue force associated with a probability of exceedance and the expected fatigue force can be assessed, i.e. the fatigue force ratio. Consequently, the fatigue force ratio amount to 1.32 for a probability of 0.0032 %, 1.09 for a probability of 10 % and 1.04 for a probability of 30 %. These probabilities correspond to the fatigue damage ratios, i.e. the ratios between the fatigue damage associated with a probability of exceedance and the expected fatigue damage of 4, 1.56 and 1.20. Thereby, the uncertainty in the fatigue force can greatly affect the uncertainty in the fatigue damage, dependent on the value of the index of S-N-curve. The results from this study imply the importance of considering the uncertainties in fatigue load assessments. These results provide support for assessing load levels for runner dimensioning to finally, be able to derive a correct margin of safety. This in order to not underestimate fatigue damage and thereby decrease the risk for unexpected fatigue failure. / Det finns ett förväntat behov av att kraftproduktionen i vattenkraftverk skall vara mer flexibel i framtiden. Detta leder till mer varierande driftlägen för turbinen och generatorn, såsom fler start och stop med syfte att stabilisera frekvensen i elnätet. Studier påvisar att transienta driftlägen är mer kostsamma i form av utmattningsdegradering, d.v.s. konsumtion av utmattningsliv. Vattenfall har utvecklat en metodik för att analysera inverkan av utmattningslaster verkande på löphjulet och rotorn i vattenkraftsaggregat under drift. Med en numerisk modell kan utmattningslasterna bedömas. Den ingående datan till modellen är bland annat är uppmätta storheter och given data på parameterar. Några av de ingående storheterna är lagerstyvhet, angreppspunkter för lagerkrafter och lageroljans egenskaper, etc. Flera av dessa ingående parametrar innehar osäkerheter, vilket påverkar bedömningen av utmattningslasterna. Denna studie kommer att fokusera på en kraftkomponent verkande på löphjulet. Malet med detta arbete är att svara på följande forskningsfrågor: (i) Vilka ingående parametrar, som innehar en osäkerhet, bidrar med en styrande osäkerhet i den bedömda kraften? (ii) Hur mycket uppgår den kombinerade standardosäkerheten i den bedömda kraften till? (iii) Hur påverkar kraftens osäkerhet utmattningsskadan? Den kombinerade standardosäkerheten i kraften är beräknad med metoder i fortplantning av osäkerheter. För att kunna bedöma påverkan på delskadan givet osäkerheten i kraften, så sker en statistisk analys av förhållandet mellan delskadan sammanhängande med en sannolikhet för överskridande och den förväntade delskadan. Resultatet påvisar att den styrande ingående parametern är offset i signalen för axelförskjutning, vilken uppgår till 40 % av den kombinerade standardosäkerheten i utmattningskraften. Av de nio analyserade parametrarna härrör tre av dessa lageregenskaper, d.v.s. lagerspel, oljetemperatur och angreppspunkter för lagerkrafterna, vilka tillsammans uppgår till 47.5 % av den kombinerade standardosäkerheten i utmattningskraften. Därför, för att reducera den totala osäkerheten bör fokus ligga på lageregenskaperna. Givet alla standardosäkerheter i de analyserade parametrarna så uppgår förhållandet mellan standardosäkerheten i utmattningskraften och den förväntade utmattningskraften på löphjulet till 7 %. Detta motsvarar att förhållandet mellan standardosäkerheten i delskadan och väntevärdet för delskadan uppkommer till 35 %, givet ett index av S-N-kurvan på fem. Givet standardosäkerheten i kraften och index av S-N-kurvan, kan förhållandet mellan utmattningskraften förenad med en sannolikhet för överskridande, och den förväntade utmattningskraften, d.v.s. kvoten av utmattningskraften, utvärderas. Detta resulterar att kvoten av utmattningskraften uppgår till 1.32 för en sannolikhet för överskridande på 0.0032 %, 1.09 för en sannolikhet på 10 % och 1.04 för en sannolikhet på 30 %. Dessa sannolikheter motsvarar att kvoten av delskadan, d.v.s. kvoten mellan delskadan förenad med en sannolikhet för överskridande, och den förväntade delskadan uppgår till 4, 1.56 och 1.20. Därför kan osäkerheten i utmattningskraften påverka osäkerheten i delskadan med en betydande faktor, beroende på värdet på index av S-N-kurvan. Således, resultaten från denna studie påvisar betydelsen att beakta osäkerheterna i de ingående parameterna vid bedömning av utmattningslast. Dessa resultat tillhandahåller stöd vid bedömning av lastnivåer för dimensionering av löphjul, för att slutligen kunna erhålla en korrekt säkerhetsmarginal. Detta för att inte underskatta utmattningsskadan och därmed minska risken oför oväntat utmattningshaveri.

The rapidly evolving Nordic Power System demands enhanced flexibility and robustness in electricity production. The traditional role of hydropower plants in regulating the grid frequency has been challenged by new criteria for dynamic stability, which some units struggle to meet due to their relatively poor dynamic performance. This study addresses this challenge by investigating the potential of integrating optimal energy storage systems with hydropower plants. This study aimed to develop a tool that could streamline the process of converting a traditional hydropower plant into a hybrid unit using an optimal energy storage system. The problem is complex and requires an innovative approach that combines electrical engineering expertise with cutting-edge machine-learning algorithms. A comprehensive hydropower plant model, including governor control and mechanical and hydraulic subsystems, was developed and integrated with an energy storage system model to form a hybrid unit. This model was validated using real power plant data. Three distinct XGBoost Regressor models were trained using data samples generated from the optimized hybrid unit. These models aim to predict power and energy requirements for an optimal energy storage solution, including an estimation of wear and tear reduction. The XGBoost Power Regressor achieved a prediction accuracy of 92 % and the XGBoost Energy Regressor demonstrated a 95 % accuracy. The XGBoost Movement Regressor, indicating wear and tear, boasted an accuracy greater than 99 %. The integration of energy storage systems can significantly mitigate wear and tear on a hydropower plant, with reductions of up to 85 % or more. The results indicate that integrating energy storage systems with hydropower units can substantially enhance the dynamic performance, reduce wear and tear and enable the plants to meet the demanding requirements of providing frequency regulation services in the Nordic Power System. The findings of this study culminate in a robust and user-friendly tool capable of accurately estimating optimal energy storage requirements for any hydropower plant tasked with meeting frequency regulation service demands. / Det nordiska kraftsystemet är under snabb förändring och skiftar alltmera till elproduktion med krav på ökad flexibilitet och tillförlitlighet. Vattenkraftverkens traditionella roll som källa till reglering och stabilisering av nätfrekvensen, utmanas nu av nya krav på dynamisk prestanda och stabilitet. På grund av sina relativt dåliga prestanda har vissa vattenkraftverk svårigheter att uppfylla dessa nya krav. Detta examensarbete behandlar denna utmaning genom att undersöka möjligheterna att integrera optimala energilagringssystem med vattenkraftverk. Syftet med arbetet var att utveckla ett verktyg som skulle kunna effektivisera processen för att omvandla ett traditionellt vattenkraftverk till ett hybridkraftverk med hjälp av ett optimalt energilagringssystem. Detta är ett komplext problem som kräver ett innovativt tillvägagångssätt som kombinerar elkraftteknik med avancerade algoritmer för maskininlärning. En omfattande modell utvecklades för att simulera ett vattenkraftverk med styrsystem, mekaniska och hydrauliska system. Denna kraftverksmodell integrerades med en modell för ett energilagringssystem för att tillsammans bilda en hybridenhet. Modellens validitet verifierades med hjälp av verkliga testdata. Med hjälp av data från simuleringar av den optimerade hybridenheten kunde tre XGBoost-regressionsmodeller skapas för att estimera både effekt och energibehov för ett optimalt energilagringssystem. Utöver detta kunde även en uppskattning av minskning av slitage presenteras. XGBoost Power Regressor uppnådde en träffsäkerhet på 92 % och XGBoost Energy Regressor uppvisade en träffsäkerhet på 95 %. XGBoost Movement Regressor, som indikerar slitage, hade en noggrannhet på högre än 99 %. Integrering med energilagringssystem kan avsevärt minska slitaget på ett vattenkraftverk, med minskningar på upp till 85 % eller mer. Resultaten visar att integrering av energilagringssystem och vattenkraftverk väsentligt kan förbättra den dynamiska prestandan, minska slitage och göra det möjligt för kraftverken att uppfylla kraven för att bidra med frekvensregleringstjänster i det nordiska kraftsystemet. Resultaten av denna studie kulminerar i ett robust och användarvänligt verktyg som kan uppskatta ett optimalt energilagringsystem för ett vattenkraftverk som ska uppfylla kraven för frekvensreglering.