Fakultet for informasjonsteknologi, Institutt for elkraftteknikk. Sammendrag av Hovedoppgaver 2005

Transkript

1 NTNU Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Fakultet for informasjonsteknologi, matematikk og elektroteknikk Institutt for elkraftteknikk Sammendrag av Hovedoppgaver 2005 Institutt for elkraftteknikk -

2 NTNU Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Fakultet for informasjonsteknologi, matematikk og elektroteknikk Institutt for elkraftteknikk H O V E D O P P G A V E R Her følger et sammendrag av Hovedoppgavene ved Institutt for elkraftteknikk utført i Dette publiseres på nett med beskjed til alle studentene i 4. og 5. årskurs ved linje for Energi og miljø, til avdelingene på SEfAS, alle ved Institutt for elkraftteknikk og til Institutt for Energi- og prosessteknikk NTNU, Erling Ildstad instituttleder Postadresse Telefon Besøksadresse Side 1 av 1 NO-7491 Trondheim Telefaks O. S. Bragstads pl. 2e forordl.doc Org. nr

3 Innholdsfortegnelse Oversikt/navn Side Oversikt, student, oppgavetittel og faglærer 4 Oversikt over faglærere 6 Oversikt over faggrupper med faglærere 7 Energiomforming ENO 7 Elektriske anlegg ELA 9 Kraftsystemer KS 11 Sammendrag fra studenter ved Kraftsystemer: Aksnes, Lars 14 Aune, Kristian 18 Bakkevig, Ragnhild 21 Bolkesjø, Tor Halvor 27 Greiner, Christopher 33 Hartmark, Kaja K. 37 Haugan, Espen 39 Haugen, Arild 41 Hegglid, Kjetil R. 43 Holte, Hanne-Lill 46 Høgseth, Helene 49 Langeland, Tore 52 Lindberg, Karen B. 55 Lånke, Arne Fredrik 59 Reksnes, Thomas 63 Rognlien, Linn 65 Stenvik, Erika 70 Svenningsen, Bjørgulf 73 Tallaksen, Trond 75 Ulseth, Solveig 77 Sammendrag fra studenter ved Energiomforming: Asker, Geir 16 Berge, Espen 23 Berge, Tore 25 Espedal, Jon Å. 29 Lygren, Ståle 58 Normann, Axel 16 Storaker, Torje 72 Sammendrag fra studenter ved Elektriske anlegg: Fløisand, John Olav 31 Grønsvedt, Anders E. 35 Hussain, Murtaza 48 Kvarme, Hans 51 Larsen, Pål J. 54 Selsjord, Mildrid 67 Skjølberg, Johan K. 68

4 Hovedoppgavestudenter ved Institutt for elkraftteknikk 2005 Student Hovedoppgave Faglærer Aksnes, Lars Enhetlig metodikk for analyse av parallelle infrastrukturer med fokus Solvang, Eivind på systemgrenser Antonsen, Linda M. Belysning av kontorbygg - skal leveres før jul 2005 Hansen, Eilif Hugo Asker, Geir Sensorløs styring av asynkronmotor Nilsen, Roy Aune, Kristian Modeller for beregning av individuelle vannverdier Fosso, Olav B Bakkevig, Ragnhild Robust spotanmelding med shop Fosso, Olav B Berge, Espen A. Design of a reciprocating linear synchronous machine Nilssen, Robert Berge, Tore Design and implementation of a digital control system for a Norum, Lars magnetostrictive valve actuator Bolkesjø, Tor Halvor Effektreserver og regulerkraft Wangensten, Ivar Espedal, Jon Å. Control of reciprocating permanent magnet linear machine Undeland, Tore Fløisand, John Olav Drift av undervanns motordrift med jordfeil Nysveen, Arne Greiner, Christopher J. Hydrogen production from wind power in weak grids Holen, Arne T. Grønstvedt, Anders Håndtering av overlastsituasjoner i Hafslund Netts transformatorpark Høidalen, Hans Kr Hartmark, Kaja K. Analyse av energibehov og alternative fleksible energisystem for Li Finden, Per skole og eksisterende svømme- og idrettshalll i Nittedal Haugan, Espen Regulering og systemdrift ved storskala integrasjon av vindkraft Fosso, Olav B. Haugen, Arild Pålitelighetsanalyse av vern i kraftnett Holen, Arne T. Hegglid, Kjetil R. Optimalisering av Sauland Kraftverk Faanes, Hans H. Holte, Hanne-Lill Transmisjon av vindkraft over et regionalnett Faanes, Hans H. Hussain, Murtaza Hybrid Insulation - Investigation and Influence of Electrical Nysveen, Arne Properties of the Solid Insulation Høgseth, Helene A Basic Study of Coordination of Wind Power and Hydro Power Gjengedal, Terje Kvarme, Hans Kvalitetstestning av polymere kabelmaterialer for bruk ved Ildstad, Erling elektrifisering av undervanns olje- og gassproduksjon Langeland, Tore Vindparker i Sør Rogaland. En studie av dynamiske forhold Holen, Arne T Larsen, Pål J. Uttesting av styringsstrategier for et fullskala veilysanlegg Hansen, Eilif Hugo Lindberg, Karen B. HyOslo Per Finden Introduction of Hydrogen in the Energy System of Oslo and Lygren, Ståle Genetic Optimization of Permanent Magnetized Electric Machines Nilssen, Robert Lånke, Arne Fredrik Samfunnsrasjonell energiomlegging i byggsektoren Faanes, Hans H. Michelsen, Silje Grønne sertifikater i det nordiske kraftmarked Wangensteen, Ivar Norman, Axel Sensorløs styring av asynkron motor Nilsen, Roy Reksnes, Thomas Security of operation and congestion management in the main grid Holen, Arne T

5 Hovedoppgavestudenter ved Institutt for elkraftteknikk 2005 Student Hovedoppgave Faglærer Rognlien, Linn Validering av prognoser for vindkraftproduksjon Gjengedal, Terje Selsjord, Mildrid Kvalitetstesting av polymerisolerte HVD kabler. Ildstad, Erling Quality Testing of Polymeric HVDC Cables. Skjølberg, Johan Superledende spole for induksjonsoppvarming Magne Runde Stenvik, Erika Sizing of Wind-hydrogen Systems Gjengedal Terje Storaker, Torje Investigation of the feasibility of FEM-analysis for preliminary Nilssen, Robert estimation of Rotor Eddy Current Losses due to Stator Slotting Svenningsen, Bjørgulf Analyse av dynamiske forhold ved integrasjon av vinkraft i svake Fosso, Olav B nett Tallaksen, Trond Selektivitet mellom distansevern eller alternative vern ved fasebrudd Olsen, Karstein J. og høyohmige jordfeil på 300 kv luftlinjer. Ulseth, Solveig Beslutningsstøtte for vedlikehold og rehabilitering av vannkraftverk Solvang, Eivind 5-2 -

6 INSTITUTT FOR ELKRAFTTEKNIKK Oversikt over faglærere: Telefon Rom 1.0 Energiomforming (ENO) 1.1 Robert Nilssen, prof E Lars Norum, prof E Tore M. Undeland, prof E Roy Nilsen, prof E Anders Gytri, førsteam E Elektriske anlegg (ELA) 2.1 Erling Ildstad, prof F Hans Kristian Høidalen, førsteam F Eilif Hugo Hansen, førsteam E Arne Nysveen, prof F Magne Runde, prof. II SEfAS Kraftsystemer (KS) 3.1 Arne T. Holen, prof SEfAS Ivar Wangensteen, prof SEfAS Olav B Fosso, prof SEfAS Eivind Solvang, førsteam.ii SEfAS Per Finden, prof. II IFE, Kjeller 3.6 Terje Gjengedal, prof. II Statkraft SF, Oslo 6

7 Oversikt over fagområder ved: 4.0 Energiomforming (ENO) 4.1 Robert Nilssen, professor Fagområde:Feltberegninger innen elkraftteknikken. I dette fagområdet legges det nå stor vekt på analyse av elektriske maskiner og komponenter der det er nødvendig å regne på elektriske og magnetiske felter. Delemner: - Praktisk konstruksjon med bruk av nye materialer og produksjonsteknikker. - Utforming av nye elmaskinkonsepter, eks.: Transversalfluksmaskiner og Aksialfluksmaskiner. - Beregning med avanserte regneverktøy som Matlab, Flux2D, Flux3D, KREAN. 4.2 Lars Norum, professor Fagområde:Kraftelektronikk, Industriell elektronikk Fagområdet omfatter styring og regulering av elektrisk og elektromagnetisk energiomforming. Her inngår dynamisk simulering, digital regulering og signalbehandling i kraftelektronikk omformere og mekatronikk systemer. For tiden bearbeides følgende problemstillinger i samarbeid med industripartnere og SINTEF Energiforskning: - Energioptimal drift av elmotordrift ved hjelp av Fuzzy logic. - Digital regulering av kraftelektronikk-omformer for styring av aktiv og reaktiv effekt i elforsyningsnettet. (FACTS) - Utvikling av systemprogrammer og maskinvare til instrumentering og måling i industrielle elkraftsystemer. Bruk av simuleringsprogrammene Matlab/Simulink, SABER/PSpace og digitale signalprosessorer og mikrokontrollere er sentralt i arbeidet. 4.3 Tore M. Undeland, professor Fagområder:Kraftelektronikk. Feltet mitt omfatter miljøvennlig energiomforming innen elgenerering som vindkraft, solenergi, brenselceller og miljøvennlig elbruk som elbiler, tog, pumper og vifter. Det legges vekt på konstruksjon av omformere i anvendelser som svitsjede kraftforsyninger, nødstrømvekselrettere, induksjonsvarme og for motordrifter i marine/undervanns-installasjoner og integrert i smart motor -løsninger. Dette inkluderer bruk av nye typer krafthalvledere, resonansomformere, snubbere, EMC og konstruksjon av drossler og transformatorer, Videre inngår kraftelektronikk i elforsyningssystemet: HVDC og harmoniske FACTS-anvendelser og hybride filtre og ikke minst innen vindkraft. 7

8 Emner som er spesielt aktuelle er: - Elomforming innen optimal bruk av vindturbiner og vindparker. - Avbruddsfri kraftforsyning med naturgass eller propan som energilager. - Kompakte nødstrømvekselrettere. - Integrert likeretting med sinusformet nettstrøm med snubbere og resonansomformere. - Integrert vekselretter med motor. - Bruk av nye typer krafthalvledere i omformere for bl.a. induksjonsvarming. - Analyser og simuleringer av FACTS-anvendelser i overføring og distribusjon. Jeg har god kontakt med kraftelektronikkindustrien i Norge og forskningsmiljø i utlandet. 4.4 Roy Nilsen, professor Fagområder:Elektriske motordrifter og kraftelektronikk Feltet innbefatter analyse og design av omformere til motordrifter, samt utvikling av styrestrategier for disse. Motordrifter for elektriske biler og variable turtallsgeneratorer (ASD) er aktuelle forsk-ningstemaer. Mulige emner for diplomer er: - Analyse, design og styring av variable turtall generatorer (ASD) - Styring av elektriske biler. Design og analyse av ladere for elbiler - Studie av topologier og styrestrategier for resonans-omformere. - Alternative måter å måle ventilstrøm i IGBT omformere. - AC regulatorer, nett-tilbakevirkning og støydempende tiltak. - Realisering og utprøving av system for simulering av dynamiske systemer ved hjelp av strømrettermatet likestrømsmaskin. 4.5 Anders Gytri, amanuensis Laboratorieorienterte hovedoppgaver innen elektriske maskiner og kraftelektronikk. 8

9 5.0 Elektriske anlegg (ELA) Innen Elektriske anlegg pågår det forskning og utvikling av ny teknologi og kompetanse innen flere fagområder: Innen analyse arbeides det med modellering og beregning av overspenninger både i distribusjonsnettet og internt i høyspenningskomponenter, som f.eks. transformatorer. Induserte lyn overspenninger i lavspenningsnettet forårsaker hvert år store skader og økonomiske tap i form av branner, ødeleggelse av utstyr og strømavbrudd. Behovet for bedre overspenningsbeskyttelse og strengere krav til spenningskvalitet øker dessuten med hardere utnyttelse av nettet, og økt bruk av følsomt elektronisk utstyr. Den største aktiviteten pågår innen fagområdet komponenter og apparater. I nært samarbeid med industrien arbeides det med utvikling av bedre høyspennings-isolasjonsmaterialer både for AC- og DC-spenninger. Nye isolasjonsmaterialer for kabler er et viktig satsingsområde. Innenfor kraftledninger arbeides det med virkning av snø og is samt industriforurensninger. Andre miljøaspekter som livsløpskostnader vies stadig større oppmerksomhet. Innen bryteranlegg arbeides det med nye og miljøvennlige isolasjonssystemer for komplette anlegg. Forsyning av elektrisk kraft til havbunnsanlegg er et nytt og voksende forskningsfelt med omfattende industrikontakt. Nye anleggsløsninger og isolasjonssystemer er sentrale tema Vedlikehold er et annet fremtidsrettet hovedtema. Her arbeides det med utvikling av metoder for tilstandsstyrt vedlikehold, for bedre økonomisk utnyttelse av komponenter i elkraftsystemet. For å kunne oppnå dette må det tas i bruk nye og avanserte metoder for overvåking av den faktiske tilstanden til elkraftkomponenter. Kunnskap om aldringsfenomener og bruk av moderne datateknologi er derfor nødvendig for å kunne realisere slik tilstandsbasert vedlikehold. 5.1 Erling Ildstad, professor Fagområde:Aldring og diagnostisk prøving av isolasjonssystemer Aktuelle emner: - Høyspenningsisolasjonsmaterialer og systemer. - Studie av nedbrytingsmekanismer og utvikling av ulike diagnostiske prøvemetoder for tilstandskontroll av kabler og transformatorer. - Isolasjon for likespenningskabler, både olje/papir og polymer-isolasjon. - Høyspennings måleteknikk. - Anvendelser av høyspenningsteknikken innen olje- og gassproduksjon. 5.2 Hans Kristian Høidalen, førsteamanuensis Fagområde:Isolasjonskoordinering / Tilstandsovervåking Fagområdet omfatter problemstillinger rundt utvikling av analysemetoder og komponentmodeller for overspenningsberegninger, isolasjonskoordinering i elkraftsystemer, samt konstruksjon, dimensjonering, prøving og tilstandsovervåking av høyspenningskomponenter. 9

10 Aktuelle emner: - Datamaskinsimulering og analyse av overspenninger i kraftnett - Overspenninger og lynnedslag som årsak til skader og branner - Anvendelse av det nordiske lynregistreringssystemet - Tilstandskontroll av komponenter i elektriske anlegg 5.3 Eilif Hugo Hansen, førsteamanuensis Fagområder:Elektroinstallasjoner, Lysteknikk Fagområdet elektroinstallasjoner omfatter lavspente elektroinstallasjoner i bygninger, både på utstyrs- og systemsiden. Aktuelle emner kan være systemløsninger for bygningsinstallasjoner, bruk av installasjonsbuss-systemer, vern, kostnader, markedstiltak i installajonsbransjen, jording. Fagområdet lysteknikk omfatter både de fysiske forhold ved lysstråling og kvalitative og kvantitative forhold ved belysningsanlegg både ute og inne. Emner kan være lyskilder, beregningsmetoder, instrumentering, effekt- og energisparende tiltak, belysningskonsepter. 5.4 Arne Nysveen, professor Fagområde:Elektriske apparater og anlegg Fagområdet omfatter design, dimensjonering og modellering av elektrisk utstyr og anlegg. Det legges vekt på en helhetlig forståelse og tverrfaglighet både ved konstruksjon og bruk av utstyre og anlegg. Dette inkluderer isolasjonsteknikk, magnetisk og termisk design og analyse. Aktuelle temaer: - Utstyr for offshore kraftdistribusjon inkludert havbunnsutstyr for olje/gassutvinning og tidevannskraftverk. Skipselektriske anlegg - Koblingsanlegg - med fokus design og dimensjonering av kompakte elektriske anlegg (switchgear). - Elektriske maskiner - spesielt optimal utnyttelse og drift av vannkraftgeneratorer. 5.5 Magne Runde, professor II Fagområde:Komponenter og anlegg Aktuelle emner: - Tilstandskontroll-metoder for høyspenningskomponenter - Elektriske kontakter og brytere - Anvendelse av superledere i elkraftteknikken. 10

11 6.0 Kraftsystemer (KS) 6.1 Arne T. Holen, professor Fagområder: Energisystemer, nettplanlegging. Pålitelighet og driftssikkerhet i kraftnett. - Nettplanlegging under usikkerhet Energilovens krav om dokumentasjon av leveringspålitelighet, nettselskapenes nye rammevilkår med inntektsregulering samt ordningen med kvalitetsjusterte inntektsrammer for ikke-levert energi (KILE) fører til behov for systematiske analyser der leveringspålitelighet, økonomiske forhold og mer kvalitative forhold (personsikkerhet, opinion m.m.) inngår. Håndtering av usikkerhet og behov for å velge robuste løsninger blir viktig. - Distribuerte energisystemer, lokal energiplanlegging Flere energi- og nettselskaper har planleggingsoppgaver der en ser på energiforsyning med alternative/komplementære energibærere (el, vannbåren varme, gass). Dette krever fornyelse og integrasjon av metoder for å planlegge slike systemer. Revisjon av eksisterende verktøy, utvikling og bruk av nye verktøy for slik planlegging står sentralt. - Driftssikkerhet i kraftnettet Med de rådende rammebetingelser for nettutbygging, spesielt økonomi og miljø, blir kraftnettet stadig hardere utnyttet. Det frie kraftmarkedet gir også et sterkt press i retning av økende utnyttelse av nettets overføringskapasitet. Dette krever igjen bedre kontroll med driftssikkerhet og stabilitet. Denne typen oppgaver kan være fokusert mot pålitelighet og risiko, og dels mot mer tekniske aspekter: vern og dynamiske analyser innrettet på å påvirke driftssikkerheten. Integrasjon av vindkraft gir utfordringer på dette området. 6.2 Ivar Wangensteen, professor Fagområde: Markedsbasert kraftomsetning Fagområdet omfatter problemstillinger rundt kraftomsetning over nasjonale og internasjonale kraftbørser. Herunder inngår utvikling og bruk av prognosemodeller, tariffering av overføringstjenester i kraftnett og utforming av tariffer for sluttbruker. 6.3 Olav B. Fosso, professor Fagområde: Driftsplanlegging Fagområdet omfatter optimal drift av produksjons- og overføringssystem. Viktige tema innenfor nettanalyser er: spenningsstabilitet, effektpendlinger og termiske overbelastninger ved feil på systemkomponenter. Slike analyser danner utgangspunkt for bestemmelse av riktige overføringsgrenser mellom delområder. Disse grensene gir igjen rammebetingelser for kraftmarkedet. Innfor produksjonsplanlegging er optimal bruk av ressursene viktig. Dette omfatter hele spekteret fra strategiske vurderinger på lengre sikt til den kortsiktige tilpasning ved handel i kraft- 11

12 markedet for neste dag. Beslutningsstøtte basert på optimaliseringsteknikker er et sentralt tema både for nettdrift og produksjonsplanlegging. 6.4 Eivind Solvang, førsteamanuensis II Fagområder:Energi og nettplanlegging Aktuelle emner: - Nettplanlegging med spesiell vekt på fornyelser og vedlikehold. Nettselskapene skal innen gitte inntektsrammer fornye og vedlikeholde sitt nett på en effektiv og kostnadsriktig måte. Usikkerhet i datagrunnlag og risiko for å gjøre uriktige beslutninger er viktige aspekter i de beslutninger et nettselskap må gjøre når de legger sine planer. Metoder og verktøy for slik planlegging er et meget interessant område for disse selskapene, og dette har vært tema for noen hovedoppgaver de senere år. 6.5 Per Finden, professor II Fagområde: Energisystemer Fagområde omfatter: Regional og lokal energiplanlegging med vekt på rasjonell energibruk og på modellering og analyse av energisystemer hvor ulike energibærere kan inngå Aktuelle emner: - Energiplanlegging - Energisystemer 6.6 Terje Gjengedal, professor II Fagområde: Energiplanlegging - Fornybare og miljøvennlige energikilder: Dette fagområdet tar for seg fornybare og miljøvennlige energikilder (vindkraft, tidevannskraft, saltkraft, småkraftverk, bioenergi, solenergi, gass, mm.) samt deres tekniske, økonomiske og miljømessige karakteristika og egenskaper. - Energisystemer og energiplanlegging: Dette fagområdet tar for seg systemintegrering av fornybare og miljøvennlige energikilder, og ser på hvilke utfordringer en står ovenfor når en skal planlegge og operere energisystemer med multiple energibærere og ulike system for transport av energi. Problemstillinger knyttet til distribuert generering, samkjøring mellom energibærere samt operative og reguleringsmessige utfordringer en har ved styring, drift og vedlikehold av energibærere. Miljørestriksjoner, utslippskvoter og handel med grønne sertifikater inngår også som virkemidler for å sikre bærekraftige energisystemer. - Energidisponering og krafthandel: 12

13 Dette er et bredt fagområde som omfatter langsiktig og kortsiktig energidisponering og produksjonsplanlegging, handel på fysisk kraftbørs og bruk av finansielle instrument for risikostyring, trading og origination. Kortsiktig og langsiktig prisprognosering er også en del av fagområdet. Fagområdet åpner for mange tema som for eksempel bruk av operasjonsanalytiske og statistiske metoder, bruk av mikroøkonomisk teori, spillteori, fundamentale markedsmessige analyser mm. 13

14 Enhetlig metodikk for analyse av parallelle infrastrukturer med fokus på systemgrenser Student: Faglærer: Veileder: Lars Aksnes Eivind Solvang førsteamanuensis II, Inst. for elkraftteknikk, NTNU Bård uthus BKK/Sintef energiforskning Utføres i samarbeid med: BKK AS Problemstilling Norsk energipolitikk har fokus på omlegging av elektrisitetsforbruket. Omlegging bort fra elektrisitet vil ofte kreve store investeringer i alternativ infrastruktur. Den samfunnsøkonomiske nytten av slike investeringer vil avhenge av hvordan systemgrensene settes. NVEs håndbok i Samfunnsøkonomisk analyse av energiprosjekter beskriver hvordan NVE mener at slike analyser skal gjennomføres. Oppgaven Oppgaven går ut på å beskrive en enhetlig metodikk for analyse av parallelle infrastrukturer med fokus på systemgrenser, basert på NVEs håndbok. Metodikken skal eksemplifiseres og vurderes gjennom en enkel analyse av et fjernvarmeprosjekt hos BKK. Modell/målinger Flytmodell av metodikk 14

15 Beregninger Ved å ha en systemgrense som kun hadde fokus på fjernvarmenettet og deler av elnettet, ble kostnadene i den samfunnsøkonomiske beregningen som følger Fjernvarme: 65,7 mill kr Nullalternativ: 118,2 mill kr Når systemgrenen ble satt til å kun fokusere på kunden ble resultatet ganske så annerledes Fjernvarme: 146,6 mill kr Nullalternativ: 136,5 mill kr Konklusjon Fordelen med å ha en systematikk som gir et klart bilde av systemgrensen i starten av prosjektet, er at det gir deg en mulighet til å få god oversikt over hvilke kostnader og nytteverdier som skal tas med. I et tilfellet hvor kostnadene dukker opp etter hvert som prosjektet skrider fremover, vil det være lett å henge seg opp i enkelt faktorer. Disse faktorene vil så få stor konsekvens for lønnsomheten i prosjektet, fordi de vektlegges mer enn og i noen tilfeller overskygger andre faktorer. For en eventuell beslutningstaker vil det dermed bli enklere å se hvordan den samfunnsøkonomiske analysen er utført hvis metodikken fra kapittel 4 er benyttet. Ulempene som følge av metodikken er få. I den grad det eksisterer noen, så må det være at den heller ikke kan gi noe eksakt svar på samfunnets velferd for et energiprosjekt. I tillegg er det ikke noen store incentiv for aktører å gå over til den nye metodikken Metodikken begrenser seg heller ikke til kun samfunnsøkonomiske analyser, men kan like gjerne brukes for en bedriftsøkonomisk analyse. Som diskutert i kapittel 5 så er gjerne forskjellen fra samfunnsøkonomiske til bedriftsøkonomiske kun snakk om en innsnevring av systemgrensen 15

16 Sensorløs styring av asynkronmotor Student: Faglærer: Veileder: Axel Norman og Geir Asker Roy Nilsen Roy Nilsen Problemstilling Asynkronmotoren er i dag den helt dominerende elektriske maskin benyttet i industrien. På grunn av den sterke utviklingen innen halvlederteknologien har man i dag frekvensomformere som gjør det økonomisk å turtallseller frekvensstyre motorene i mange anvendelser hvor dette tidligere ikke var aktuelt. Dette betyr at man har fått et økt retrofittmarked, samt at mange nye motordrifter velges å være frekvensstyrte. Det er av denne grunn viktig, når man skal utvikle standard frekvensomformere, at omformeren kan styre standard motorer. For å redusere kostnader, øke påliteligheten og redusere kompleksiteten er det ønskelig å unngå posisjons- eller turtallsensorer. I de fleste anvendelser er en slik sensor ikke nødvendig og man sier at man har sensorløs styring. Oppgaven De fleste produsenter av frekvensomformere har en slik sensorløs styring som fungerer ned til 2-5 Hz, mens dersom man skal arbeide lenge ved null statorfrekvens eller turtall så benytter man gjerne en pulsgiver. I denne oppgaven skal studentene analysere og realisere i laboratoriet en metode som setter på spesielle eksitasjonssignal for å kunne detektere rotorfluskens posisjon også ved stillstand. Denne metoden ble presentert av Leppänen i sin PhD-avhandling i En tidligere masterstudent har prøvd å realisere denne metoden, men fikk problemer da han belastet maskinen, samt at den heller ikke fungerte ved null statorfrekvens i tomgang. Studentene skal derfor: Foreta en grundig studie av Leppänen sin metode Legge spesielt vekt på analyse av feilfunksjonen, dvs. kriteriet benyttet for deteksjon av feil rotorfluksvinkel. Det skal også gjøres en grundig analyse hvordan målefeil påvirker kriterifunksjon og dermed estimert fluksvinkel. Den implementerte rutine skal testes både i tomgang og med belasting rundt og ved null turtall og frekvens Til slutt er det ønskelig at man diskuterer fordeler og ulemper ved å benytte en slik metode. 16

17 Resultater: 0,15 last 0,9 pu 0,1 pu 0,05 null statorfrekvens ,05 null turtall -0,1 Tid [s] relativt konstant feilvinkel 0,06 pu Estimert rotorhastighet Målt rotorhastighet, n Estimert rotorflukshastighet Hastighetsreferanse, n_ref Feilvinkel, ε Skalert momentgenererende strøm, i_sq0 (10:1) Leppänens metode er implementert og takler alle driftssituasjoner, inkludert null statorfrekvens under full last som vist i figuren over. Konklusjon: Metoden fungerer tilfredsstillende ved null statorfrekvens både uten og med full last og den takler lasthopp på 0,5 pu. Tester gjort i laboratoriet viser imidlertid at styringsmetoden er svært følsom for feil i spenningsreferansen samt slark og elastisitet i den mekaniske koblingen mellom motoren og lastmaskinen. Feil i spenningsreferansen skyldes først og fremst dødtidsproblematikk og det er derfor utviklet en bedre kompensering for dødtid. Det ble også funnet noe usymmetri i konverterens IGBT`er og dermed ekte spenning, noe som måtte kompenseres for å få motoren til å rotere med jevn hastighet. Laboratorieoppsettet kobler sammen asynkronmaskinen og lastmaskinen med en elastisk kobling og problemene rundt dette er nøye studert i oppgaven. Slark og elastisitet i det mekaniske systemet er ikke inkludert i den idealiserte matematiske modellen, men har vist seg svært viktig i den praktiske implementasjonen av styringsmetoden. Det konkluderes med at metoden er generell og har et stort potensial, men problemene nevnt ovenfor må løses før metoden kan få utstrakt industriell anvendelse. 17

18 Modeller for beregning av individuelle vannverdier Student: Kristian Aune Faglærer: Olav B. Fosso Veileder: Ingrid Honve Utføres i samarbeid med: SINTEF Energiforskning Problemstilling Beslutningsstøtteprosedyrene for vannkraftplanlegging er i stor grad basert på beregning av marginale vannverdier for de enkelte magasin. For de lengste tidshorisonter beregnes vannverdier på aggregerte magasin, mens det for analyser med kort tidshorisont er nødvendig med vannverdier for de enkelte magasin i vassdraget. Det eksisterer ulike modeller for beregning av de individuelle vannverdiene, men det er ikke foretatt noen systematisk evaluering av egenskaper og presisjon på resultatene med hensyn på de aktuelle anvendelsene. Oppgaven Oppgaven går ut på å foreta en systematisk sammenlikning av metodene når det gjelder vannverdiberegning i inneværende uke eller en uke fram i tid. Følgende ønskes vurdert: Konsistens i vannverdier mellom metodene for ulike variasjonsområder i startmagasin ønskes vurdert. Egenskapene ved prismodellene som brukes Koblingen mot langtidsmodellene Analysehorisontens betydning for resultatene i starttidspunktet Modell/målinger Testene utføres på tre ulike datasett, vannkraftsystemer. Det minste heter rsk_øst, rsk_vest og det største ulla vassdraget. De to minste datasettene inngår i det totale ulla-systemet. Det er utført forskjellige tester i denne oppgaven: Betydningen av lengden på analysehorisonten. Særlig med tanke på Sesongmodellen, men man har også vurdert hvordan ProdRisk håndterer forskjellige analysehorisonter for å sammenligne de to modellene på dette området. Konsistensen til vannverdiene på de angitte sesongplanleggingsprogrammene. Hvilken betydning starttidspunkt og valg av startmagasin kombinasjoner utøver på resultatene. Samtlige systemer er satt til en eierandel på 100 %, for å forenkle kompleksiteten i systemene. Det var mulig å bruke høydekorreksjon med den versjonen av ProdRisk som ble brukt i denne oppgaven, men valgte å kjøre uten høydekorreksjon da sesongmodellversjonen som ble benyttet heller ikke tok hensyn til høydekorreksjon. Det var et poeng faktisk at modellene skulle sammenlignes, og det ble noe feil å bruke høydekorreksjon på den ene og ikke den andre. Regnetidene til ProdRisk ved bruk av høydekorreksjon blir fordoblet da en simulering blir kjørt to ganger. Dette var også et moment ved valget å ikke bruke høydekorreksjon. 18

19 Beregninger Analyshorisontens betydning på Sesongmodellen. 285 øre/kwh 31,350 31,300 31,250 31,200 31,150 31,100 31,050 31, uker Figur 16. Vannverdien til magasin 285 i datasettet rsk_vest. Også det siste magasinet hadde størst økning i den individuelle vannverdien fra 18 uker til 40 uker, 0,168 øre/kwh. Dette går igjen for samtlige magasiner i systemet. At vannverdien ikke endrer seg fra 40 uker til 70 uker er felles for alle magasinene i systemet, bortsett fra magasin 276. Økningen fra 70 uker til 92 uker er på 0,020 øre/kwh for dette magasinet. Den individuelle vannverdien er også for dette magasinet konstant fra 92 uker til 156 uker. Dette er likt for alle magasinene i dette systemet. Analyshorisontens betydning på ProdRisk. 285 øre/kwh 9,98 9,96 9,94 9,92 9,9 9,88 9,86 9, uker Figur 21. Vannverdien til magasin 285 i datasettet rsk_vest. Vannverdien til dette magasinet hadde som magasinene størst verdi med en analysehorisont på 40 uker og lavest verdi med en analysehorisont på 70 uker. Maksimal forandring av vannverdien er for dette magasinet også mye mindre enn for tilsvarende magasin simulert med Sesongmodellen. 19

20 Konklusjon 8.1 Analysehorisonten. Analysehorisonten har en større innvirkning på vannverdien ved bruk av Sesongmodellen i forhold til ProdRisk. 8.2 Konsistensen til de individuelle vannverdiene for modellene. ProdRisk har en god del flere feil endringer i vannverdien med de magasinfyllingene som det ble simulert for i forhold til Sesongmodellen. 8.3 Betydning av starttidspunkt og valg av startmagasin kombinasjoner. For enkelte magasin er forskjellen mellom modellene store. Da helst med simulering med ekstreme magasinfyllinger. Modellene reagerer noe forskjellig på disse magasinfyllingene. Dette har nok med modellenes måte å håndtere straffefunksjoner på magasin som går tomme og magasin som flommer over. 20

21 Robust og god spotanmelding med SHOP Student: Ragnhild Marie Bakkevig Faglærer: Olav Bjarte Fosso Veileder: Tellef Juell Larsen Utføres i samarbeid med: Statkraft Energi AS Problemstilling SHOP er en optimaliseringsmodell for korttidsproduksjonsplanlegging. Oppgaven stiller spørsmål ved om SHOP gir en bedre og mer robust spotanmelding, og hvordan dette eventuelt utføres. Oppgaven SHOP er et optimaliseringsprogram for korttidsplanlegging av vannkraftsystemer, som blant annet kan benyttes til å utarbeide kjøreplaner og anmelding til spotmarkedet. Ved anmelding i spotmarkedet er det viktig at anmeldingen er robust i forhold til prisusikkerheten, dvs. at man ønsker å lage en anmelding som ikke fører til et tilslag i markedet som er umulig eller ulønnsomt å oppfylle. Denne oppgaven skal analysere ulike metoder for å oppnå en robust spotanmelding i forhold til usikkerheten i markedsprisen ved bruk av SHOP. Robusthet i forhold til usikre tilsigsprognoser og vannverdier vil ikke bli analysert. Forskjellige metoder for å øke robustheten skal sammenliknes for forskjellige situasjoner, og gjerne også sammenliknes med den reelle anmeldingen som Statkraft utarbeider. Modell/målinger Tre veldig forskjellige vassdrag ble valgt ut og testet for ulike situasjoner. Situasjonene var forskjellige i forhold til vannbeholdning, vannverdier, samt nivå og profil på en basisprisprognose. Metoden i oppgaven var å benytte en basisprisprognose, som man hadde stor tro på, og endre denne slik at det ble dannet et utfallsrom med flere prisprognoser. De ulike metodene som genererte forskjellige utfallsrom ble testet for hver situasjon i hvert vassdrag. Testene gikk ut på at tilslagene som ble generert av de aktuelle spotprisene ble sammenliknet. I tillegg ble de sammenliknet med et optimalt tilslag, som er SHOP kjørt med spotpris, og det reelle tilslaget, som ble sent fra produsenten til NordPool den aktuelle dagen. Figur 1 viser basisprisprognosene som ble benyttet i oppgaven. Prisprognoser 260 Priser [kr] Januar Februar Mars April Mai Timer [t] 21

22 Figur 2 viser to typiske anmeldingskurver for Leirdøla generert av SHOP, når det er benyttet knekkpunkt med 1 kroneintervall. Anmeldingskurvene er gitt for en høypristime (høy) og en lavpristime (lav), og viser noe prisforskjell for når aggregatene starter. I tillegg er det angitt en førtest, som er SHOP kjørt med en fiktiv prisprognose som stiger med 1 krone per time og en median- anmeldingskurve, som er medianen av alle volumene per anmeldingspris (knekkpunkt). Disse kurvene var ganske like for vassdraget Leirdøla, og man så også at dette også gjaldt vassdragene Sima og Tokke. Beregninger I oppgaven ble det utført beregninger for å komme frem til en anmelding. Den ene er en metode som foretar en linearisering mellom to prisprognoser. Den andre er trappanmelding som benytter volumet knyttet til anmeldingsprisen/knekkpunktet eller nærmeste pris under, hvis ikke prisen treffer akkurat. Anmeldingene som ble generert av de ulike metodene ble sammenliknet, blant annet ved tilslagsberegninger som nevnt under. Det er også utført tilslagsberegning. Dette er lineariserte volumberegninger rundt spotprisen i hver time. Konklusjon Resultatene viste at en metode basert på nivåendringer av en fast profil, som dekket det mest aktuelle prisområdet forholdsvis tett, alltid ga gode og robuste anmeldinger. Metoder som også varierte profilene i prisprognosene inn til SHOP viste ingen spesielle fordeler i tilslagene. Oppgaven viser også til flere tester som underbygger at profilen i prisprognosene har lite å si for anmeldingen som genereres. 22

23 Design of a reciprocating linear synchronous machine Student: Espen Arild Berge Faglærer: Professor Robert Nilssen Veileder: Jon Eirik Brennvall Utføres i samarbeid med: Resonator AS Problemstilling Lineære elektriske maskiner er fordelaktige i applikasjoner som krever lineær bevegelse. Tradisjonelt brukes det en roterende maskin der bevegelsen omformes ved hjelp et veivakselsystem. Dette er et mekanisk sårbart system og representerer et ekstra tapsledd. Det har vært problematisk å bygge lineære elektriske maskiner for høyere effekter enn en kilowatt. En av grunnene til dette er at farten til stempelet har vært begrenset. Å snu stempelet representerer et energitap som øker med farten. Mekaniske fjærer har blitt testet ut for å bevare mesteparten av energien gjennom denne snuoperasjonen, men disse fjærene blir for svake for effekter over en kilowatt. En gassfjær er lukket rom der gass kan komprimeres og dekomprimeres ved å flytte på et stempel. Denne type fjærer har muligheten for å ta opp større effekter. Tidligere er det bygget en prototyp av en lineær elektrisk maskin med slike gassfjærer på Institutt for Elkraftteknikk i samarbeid med Resonator AS. Denne var ment å fungere som en lineær kompressor, men problemer med kompressordelen gjorde at dette strandet. Maskinen genererer kraftige vibrasjoner, og man så da for seg at disse kunne brukes til for eksempel boring eller pæling. Oppgaven Oppgaven gikk ut på å designe en lineær elektromotor med doble gassfjærer for bruk som en hammer. Maskinen skulle fortrinnsvis være sylinderformet og baseres på permanentmagnetteknologi. Verkstedet ved Institutt for Elkraftteknikk skulle stå for bygging av maskinen mens Jon Åsmund Espedal skulle designe styring for maskinen som sitt diplomarbeid. En tegning av det tenkte designet er vist under. Modell/målinger Maskinen ble designet ved bruk av Duane C. Hanselmans bok Brushless Permanent-Magnet Motor Design. Det ble satt opp en magnetisk kretsmodell som ble brukt for å finne de optimale dimensjonene for maskinen. Stator ble valgt til å sporløs, noe som medfører komplekse fluksbaner i maskiner. Det var derfor til stor hjelp å kunne bruke et elementmetodeprogram som FEMLAB til å verifisere de beregnede resultatene. Et bilde av fluksfordelingen i maskinen er vist under. 23

24 Det ble også satt opp en transient modell i Femlab. Denne simulerer maskinen gjennom en periode, og beregner den induserte spenningen, tap i rotorjernet, tap i magnetene samt tap i stålrørene som tar opp kreftene fra gassfjærene. En enkel termisk motstandsmodell ble satt opp for å få en pekepinn på temperaturøkningen innover i maskinen. Beregninger Kreftene i den ferdige maskinen ble testet i et statisk oppsett der man kunne låse rotor i ønsket posisjon, påtrykke viklingene likestrøm og deretter måle kraften. Resultatet av denne kraftmålingen er vist under Force / [N] Position / [m] Measured force Reluctance force Electric force Predicted force Maskinen fungerte ved innleveringen av oppgaven ikke i kontinuerlig drift. Årsaken til dette er ikke funnet, men trolig er det en defekt med gassfjærene som fører til at vibrasjonene blir dempet ut. Konklusjon Maskinen gir de ønskede kreftene, men det er deler ved konstruksjonen som må forbedres. Statorjernet bør forlenges, slik der er nå oppstår det sterke reluktanskrefter mår en magnet glir ut av statorjernet. Magnetene har et arbeidspunkt som ligger veldig nær grensen for demagnetisering, så dette arbeidspunktet bør flytte til et tryggere område. Maskinens kjøling må også forbedres, slik maskinen er nå må overflaten vannkjøles for å holde temperaturen i magnetene under 100 C. Stålrørene som holder kreftene fra gassfjærene bør byttes ut med et elektrisk ikkeledende materiale, tapene i disse stålrørene er i denne konstruksjonen beregnet å være 1350W. 24

25 Design and Implementation of a Digital Control System for a Magnetostrictive Valve Actuator Student: Faglærer: Veileder: Tore Berge Lars Norum Steinar Olsen Problem The thesis proposes a solution for a digital control system for a magnetostrictive valve actuator was presented for the department. The solution suggests that the active components of a directional control valve were to be controlled by employing a DSP and a power electronic converter. In addition to the DSP and the power electronic converter, the control system consists of two solenoids, a reliever and a valve slider. The valve slider controls the flow trough the valve by moving along the valve seat. To keep the valve tight, a substantial pre-stress presses the slider against the seat. The reliever consists of a rod of magnetostrictive material surrounded by a coil. The magnetostrictive material has the ability to expand when exposed to a magnetic field, and can thus reduce the pre-stress forces applied to the slider. If adequately energized, the solenoids will move the valve slider when the pre-stress forces are sufficiently reduced by the expanding reliever. Task To test the proposed solution, an adequate power electronic converter was designed, fitting sensors are chosen, control algorithms are written, and the complete system is tested. Model/measurements The high level block diagram in Figure 1 shows how the different parts of the system relates to each other. The dotted line to the right of the slider indicates that the slider is able to move. The slider is affected by forces from the reliever and the solenoids, while the position of the slider is measured by the linear encoder and fed back to the DSP. The pressure at the supply gate of the valve is measured with a pressure transmitter and, together with current measurements on the power electronics card, also fed back to the DSP. The DSP compares the measurements with the reference values provided by the computer and calculates appropriate PWM signals for the power electronics. Electric/electromechanical Hydraulic Computer Supply Valve DSP Pressure transmitter Linear encoder Slider I meas Power electronics PWM PWM PWM Reliever Solenoids Return Function Figure 1: High-level block diagram of the complete control system 25

26 The laboratory setup has a hydraulic part that supplies the directional control valve with pressurized oil. Figure 2 shows a drawing of the hydraulic system. Figure 2: The hydraulic system Results The laboratory setup made it possible to perform tests of valve and control system functionality. The realization of the system showed that the implementation is able to control the valve as desired, but that certain mechanical and control-related issues have to be solved before a final control system can be implemented. Conclusion 1. The constructed control system can perform both simple, fundamental functions like relieving and position-switching, together with more advanced functions like position regulation. 2. The on-off type of solenoids complicates the position control, and should be considered replaced by a more appropriate design allowing for easier implementation of position control. 3. The static friction that arise when the slider changes direction of movement further complicates the regulation. 4. After being left pressurized for some time, the slider becomes completely stuck, and any attempt to move it without letting out the supply pressure fails. Although vibrations of the solenoids and/or reliever might deal with this problem, this is mainly a mechanical design weakness. Thus the solution is thus not covered by this thesis. 5. Several tests to derive relations between currents, developed forces and friction forces can be done to improve the mathematical model. 6. The developed power electronics is suitable for controlling purposes. 7. The valve should go to a secure position if the power supply, the reliever, the solenoids or the power electronics fail. This is strictly a mechanical problem. 26

27 Effektreserver og regulerkraft Student: Tor Halvor Bolkesjø Faglærer: Ivar Wangensteen Veileder: Ivar Wangensteen Utføres i samarbeid med: Statnett Problemstilling Den nordiske effektbalansen har blitt knappere i løpet av de senere år og det har kommet et visst innslag av vindkraft. Det har ført til økt behov for å sikre tilstrekkelige reserver, spesielt under tunglast. I Norge har Statnett introdusert regulerkraftopsjonsmarkedet (RKOM). Denne ordningen er fortsatt under utvikling og formålet med oppgaven er å bistå Statnett for å finne gode løsninger. Oppgaven Oppgaven består av følgende deler: A: Beskriv kortfattet erfaringer med det nye regulerkraftopsjonsmarkedet (RKOM) som ble innført høsten B: Utfør modellsimuleringer for studere effekten på ulike målevariable i spotmarkedet, Regulerkraftmarkedet (RKM) og RKOM under forutsetning av at det tillates å utnytte deler av reserven i spotmarkedet. C: Foreta tidsserieanalyse for å bestemme nødvendig opsjonskvantum i det nye ukemarkedet for regulerkraftopsjoner. Beregninger Modellsimuleringene som ble fortatt er en videreutvikling av en GAMS-modell utarbeidet av SINTEF Energiforskning. Modellen betrakter RKOM, spotmarkedet og RKM. Markedene klareres sekvensielt, hvor RKOM klareres først, deretter spotmarkedet, og til slutt RKM. I RKM er den fysiske etterspørselen modellert stokastisk med 100 utfall i form av en normalfordelingskurve. For å løse modellen benyttes det stokastisk dynamisk bakover programmering. Videreutviklingen av oppgaven er basert på å nye matematiske formuleringer og programmering av ulike forslag til markedsmekanismer for bruk av kollektivt finansierte reserver i spotmarkedet. I tidsserieanalysedelen ble det foretatt bergninger ved hjelp av minste kvadraters metode. Prediksjonsegenskapene til ulike modellspesifikasjoner og datamateriale ble testet, for å finne beste kombinasjon i prognoseøyemed. Modeller I simuleringsdelen ble det undersøkt fire ulike markedsmekanismer for bruk av kollektivt finansierte reserver i spotmarkedet. I alternativet marginalkostnad vil aktørene kunne overføre ressurser fra RKOM til spotmarkedet kostnadsfritt, i motsetning til alternativet forutbestemt kostnad, hvor det settes en straffekostnaden ved å overføre effektkvantum mellom markedene. I alternativet Ingen overgang vil det ikke under noen omstendigheter være lov til å bytte marked, mens i det siste alternativet, pristak, er dette tillatt dersom spotprisen når pristaket hos Nord Pool. 27

28 To hovedtyper av modeller ble testet i tidsserieanalysedelen. Én modell estimerte koeffisienter med dagens forklaringsvariable og predikerte med gårsdagens verdier. Den andre både estimerte og predikerte med gårsdagens variable. Konklusjon Simuleringsanalysene har verifisert kvalitative vurderingene som tideligere gjort av SINTEF Energiforskning, for ulike prismetoder av kollektivt finansierte reserver til bruk i spotmarkedet. Kvantitativt viser resultatene at en prismekanisme basert på aktørenes marginalkostnad i ekstreme tilfeller kan medføre at reservetilgjengeligheten blir borte. Egenskapene til markedsmekanismene som ble forutsatt i alternativene ingen overgang og marginalkostnad utgjør ytterpunkt når det gjelder positive og negative egenskaper på målevariable. Pristaksalternativet er nærmest identisk med ingen overgang, men det vil være med på å sikre markedsklarering ved høye spotpriser. Forutbestemt kostnad er en markedsmekanisme som gir mer moderate resultater på målevariable, og kan være en mellomløsning der det er ønskelig. Det er forbundet både fordeler og ulemper, av ulik størrelse, ved samtlige markedsalternativer. I en totalvurdering vil systemoperatørenes preferanser være avgjørende. Uansett bør det understrekes at primærhensikten med RKOMressursene er å sikre driftsikkerheten, og sekundærhensikten er å bedre insentivene for investeringer i ny kraftproduksjon eller forbruksfleksibilitet. I prognosedelen var modeller beregnet med data for èn sesong mest pålitelig i prognoseøyemed, fordi det er vanskelig å fange opp den store diskontinuiteten mellom sesongen. Bakdelen med å bruk av èn sesong er at det ikke vil være noe datagrunnlag å basere modellen i starten av en ny sesong. To typer modellspesifikasjoner ble testet, men resultatene ga ikke noe entydig svar på hvilken modell som er best i prognoseøyemed. Med fortutsetningene som systemoperatøren har i ukemarkedet ble gjennomsnittlig feilprognosering på 739,6 MW per dag. 30, 5 prosent av denne feilen skyldes prognosefeil av framtidig forbruk, som er basert på temperturprognoser. Det har altså vist seg å være vanskelig å lage en god prognosemodell for dette markedet, og erfaringsbeslutninger er antageligvis fortsatt det beste alternativet for å gjøre anslag over nødvendig opsjoner i ukemarkedet. 28

29 Control of a Reciprocating Permanent Magnet Linear Machine Student: Jon Åsmund Espedal Faglærer: Professor Tore Undeland Veileder: Giuseppe Guidi Utføres i samarbeid med: Resonator AS Problemstilling Lineær bevegelse direkte drevet at en elektrisk motor, er gunstig i en rekke anvendelser der veivsystemer er kostbare og inneffektive. Eksempler på slike anvendelser er industrielle vibratorer, kompressorer og pumper, samt som generatorer innen bølgekraft. En helt ny lineær motor er konstruert på NTNU (Espen Berge) på oppdrag av Jon Eirik Brennvall fra Resonator AS, i første omgang til bruk ved boring i hardt fjell. Ved å bruke gassfjærer kan denne maskinen oscillere med lang slaglengde og høy resonansfrekvens. Oppgaven Oppgaven går ut på å modellere den lineære motoren og optimalisere den som en oscillator. En styrealgoritme som automatisk finner resonansfrekvensen til det totale systemet skal utvikles og implementeres. Figur 1: Styrestrategi Modell/realisering Figur 1 viser et forenklet blokkskjema av den implementerte styrestrategien. Posisjonen måles kontinuerlig slik at ytterposisjon kan detekteres når stempelet snur. 3-fase strømmene måles og transformeres til d-q planet og den elektriske kraften styres av strømregulatoren. Ønsket slaglengde (amplitude) bestemmer vibrasjonskraften og kan reguleres av brukeren. Begge regulatorene er av typen PI. Hvordan oppgaven er realisert i laboratoriet er vist i figur 2. En 5 kw omformer brukes til å forsyne motoren med de ønskede strømmene, og LEM moduler brukes til strømmålinger. Selve styreprogrammet lastes ned på en prosessor montert på et prosessorkort utviklet av SINTEF. På grunn av forsinkelser i byggingen av den lineære motoren, ble styrestrategien i første omgang testet på en roterende maskin. Ved små modifikasjoner kan det samme programmet også brukes til å styre den lineære maskinen. 29

30 Figur 2: Generelt laboratorieoppsett Beregninger Både strømregulatoren og amplituderegulatoren er matematisk modellert og simulert i SIMULINK. Regulatorparametrene er beregnet og brukt som utgangspunkt for fininnstilling i laboratoriet. Konklusjon Den roterende oscillatoren fungerer som forventet. Resonansfrekvensen finnes automatisk både ved endring i fjærkonstant og lastpåslag. Den lineære oscillatoren er fremdeles ikke ferdig testet. Foreløpig ser det ut som at gassfjærene ikke returnerer energien som forventet og svingningene vil derfor ikke bygge seg opp. Friksjonen er også større enn antatt i maskinen som er utviklet og bygget ved Institutt for elkraftteknikk. 30

31 Operation of subsea motor drives with phase-to-ground faults Student: John-Olav Fløisand Faglærer: Arne Nysveen Veileder: Aage Hadler-Jacobsen Utføres i samarbeid med: Framo Engineering AS Abstract The most vital components of the subsea fields like multi-phase- and booster pumps are driven by massive electric motors. Consequently, the need for transmission of electric power to the driving motors is fundamental. This work considers the possibility of operating subsea motor drives with various types of phase-to-ground faults. The system behavior is considered during various faults and system configurations. Throughout the work, two main conditions are considered: a phase-to-ground occurs in a stationary condition, and a phase-to-ground fault is present at start-up. Models that can be used for adequate analyze and simulations of the driving motors loading capacity are accordingly developed. Simulations of the occurring phase-to-ground fault in stationary operation are performed using Simulink. Consideration and calculations concerning present phase-to-ground faults at start-up, is performed using Matlab m-files, developed throughout this work. The files focus on the motors ability to overcome the stiction torque, while meeting restrictions of frequency converter overcurrent and transformer core saturation. A subsea motor drive system based on typical parameters provided by Framo Engineering is used as a basis for simulations and calculations. The generators with its appurtenant transformer and the frequency converter are equated as a stiff voltage source, with adjustable voltage and frequency. Consequently, no harmonic components considerations are performed. The residual system consists of a topside transformer, a long transmission cable, a subsea transformer and an asynchronous motor. The simulations show that the loading capacity of the motor is influences by the magnitude of the phase-to-ground fault current. This is because the fault current leads to an unsymmetrical voltage at the motor terminals. Furthermore, the magnitude of the fault current is dependent of the type of system grounding, fault transition impedance, voltage, frequency and placing of the fault alongside the transmission cable. Consequently, all measures against a potential damage to the cable insulation must be taken, as a this will shorten the useful life of the system independently of the cable design and system grounding. Performing a start-up of the motor in a solidly grounded system with a phase-to-ground fault is possible even with quite low transition impedance. However, in this condition, the fault current would become immense as the system voltage is increased to the rated levels. This leads to destructive overheating of the motor windings and intense vibrations. In case of a low 31