Magnetically Controlled Reactor - a Novel Component in Smart Grid

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.contributor.author Penttonen, Jyrki
dc.date.accessioned 2018-05-30T09:02:41Z
dc.date.available 2018-05-30T09:02:41Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-7964-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7963-9 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/31307
dc.description.abstract There is currently rapid increase of solar and wind generation in the grid and growing emphasis on the reliability and availability of electrical supply.  These changes have triggered a need to have a more flexible grid, which can adapt instantly to a different load, production and failure situations. First part of this thesis was to investigate ways to create grid elements presenting instantly controllable inductance, which would fulfill many Smart Grid needs such as compensating reactive power, controlling voltage in a distribution grid or compensating earth fault currents. A reactor topology was identified, modeled and validated in laboratory in which inductance could be controlled quickly, linearly and with no moving parts using an optimized virtual air gap. One promising application for this new type of instantly controllable and linear reactor is in compensating earth faults in resonant earthed distribution networks. Typically arc suppression coils (ASC) are not tuned to exact resonance due to practicalities related to current technology whereas the new magnetically controlled reactor developed in this work is fast and thus allows full resonance tuning. In a second part of this thesis earth fault arcs were modeled using black box models and it was established, that tuning ASC to full resonance improves the earth fault extinguishment probability. This result further indicates, that magnetically controlled reactor is a good replacement for current mechanically operated ASC. In a typical earth fault compensation arrangement the substation transformer provides delta connection to the medium voltage side thereby lacking neutral connection. Arc suppression coil is connected between earth and neutral, which means that normally an earthing transformer is needed to provide connection point for arc suppression coil. Third contribution of this thesis was to model and simulate a novel earth fault compensating reactor, in which the earthing transformer and arc suppression coil functions could be integrated into a same space saving structure, while providing instant control in zero sequence impedance using the magnetically controlled reactor developed in this work. en
dc.description.abstract Aurinko- ja tuulienergian energian tuotanto kasvaa nopeasti ja sähkönjakeluverkon luotettavuuteen toimitusvarmuuteen kiinnitetään yhä enemmän huomiota. Nämä muutokset ovat johtaneet tarpeeseen saada aikaan älykäs sähköverkko, joka voi sopeutua nopeasti erilaisiin kuormitus-, tuotanto- ja vikatilanteisiin. Tämän työn ensimmäinen osa oli tutkia tapoja luoda sähköverkon elementtejä, joiden induktanssia voidaan säätää nopeasti ja lineaarisesti. Tällaisten verkkokomponenttien olemassaolo mahdollistaa monien älykkään sähköverkon tarpeiden täyttämistä, kuten automaattisen loistehon kompensoinnin, jännitteen säätämisen jakeluverkossa tai maasulkuvirtojen kompensoinnin. Tällaisen säädettävän reaktorin topologia löydettiin, mallinnettiin ja varmistettiin kokeellisissa testeissä. Osoitettiin, että reaktorin induktanssia voitiin ohjata nopeasti, lineaarisesti ja ilman liikkuvia osia sähköisesti ohjatun virtuaalisen magneettisen ilmavälin avulla. Yksi lupaava sovellus tällaiselle uudelle ohjatulle reaktorille on maasulkuvirtojen kompensointi sammutetussa jakeluverkossa. Tyypillisesti kompensointikuristin (Arc Suppression Coil, ASC) ei ole viritetty tarkasti resonanssiin johtuen nykyisen tekniikan rajoituksista, kun taas tässä työssä kehitetty magneettisesti ohjattu reaktori on nopea ja mahdollistaa täyden resonanssin virityksen. Työn toisessa osassa maasulkuvikoja mallinnettiin käyttäen valokaarimalleja ja todettiin, että kompensointikuristimen viritys täydellä resonanssilla parantaa maasulkuvian sammumista. Tämä tulos osoittaa, että esitetty magneettisesti ohjattu reaktori on hyvä vaihtoehto korvaamaan nykyisin käytettyjä mekaanisesti ohjattavia kompensointikuristimia. Tyypillisessä sähkönjakeluverkossa sähköaseman muuntajan toisio on kolmioon kytketty, joten nollapotentiaalia ei ole. Kompensointikuristin kytketään nollapotentiaalin ja maan väliin, mikä tarkoittaa, että tarvitaan maadoitusmuuntajaa luomaan tarvittava nollapotentiaali. Tässä työssä kehitettiin, mallinnettiin ja simuloitiin uudenlainen maasulkuvikoja kompensoiva laite, joka voidaan kytkeä suoraan kolmiokytkettyyn sähköaseman muuntajaan ilman erillistä maadoitusmuuntajaa. Tämä uusi rakenne hyödynsi kehitettyä ohjattavaa reaktoria sekä kehitettyjä analysointimenetelmiä ja tuloksena oli rakenne, jossa maasulkukompensoinnin toiminnot voitiin integroida tilaa säästävään rakenteeseen samalla, saatiin aikaa nopea kompensointi, jolla viat sammuvat varmemmin, kuin nykyisissä ratkaisuissa on mahdollista. fi
dc.format.extent 56 + app. 58
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 80/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: J. Penttonen, M. Lehtonen, S. Muhammad, “A novel 4-limb earth fault compensation reactor for distribution network”, International Transactions on Electrical Energy Systems, Vol. 27, Issue 12, December 2017. DOI: 10.1002/etep.2433
dc.relation.haspart [Publication 2]: J. Penttonen, M. Lehtonen, S. Muhammad, “Smart grid element: efficient controllable inductance with virtual air gap”, IET Generation, Transmission & Distribution, August 2017, accepted for publication. DOI: 10.1049/iet-gtd.2016.2122
dc.relation.haspart [Publication 3]: J. Penttonen, M. Lehtonen, “Data Driven Analytical modeling of power transformers”, International Review on Modelling and Simulations (I.RE.MO.S.), Vol. 10, N. 2, April 2017. DOI: 10.15866/iremos.v10i2.11515
dc.relation.haspart [Publication 4]: J. Penttonen, M. Lehtonen, “Optimal Tuning for Fast Arc Suppression Coil”, International Review of Electrical Engineering (IREE), Vol. 12, N. 1, April 2017. DOI: 10.15866/iree.v12i1.10944
dc.relation.haspart [Publication 5]: J. Penttonen, M. Lehtonen, S. Muhammad, “Reluctance Network Analysis for Complex Coupled Inductors”, Journal of Power and Energy Engineering, Vol. 5, N. 1, January 2017. DOI: 10.4236/jpee.2017.51001
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Magnetically Controlled Reactor - a Novel Component in Smart Grid en
dc.title Magneettisesti ohjattu reaktori - älykkään sähköverkon uusi komponentti fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Sähkötekniikan ja automaation laitos fi
dc.contributor.department Department of Electrical Engineering and Automation en
dc.subject.keyword Smart Grid en
dc.subject.keyword magnetically controlled reactor en
dc.subject.keyword earth fault en
dc.subject.keyword power distribution en
dc.subject.keyword Älykäs sähköverkko fi
dc.subject.keyword magneettisesti ohjattu reaktori fi
dc.subject.keyword maasulku fi
dc.subject.keyword sähkönjakelu fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7964-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.opn Fickert, Lothar, Prof., Graz University of Technology, Austria
dc.rev Lazaroiu, Cristian, Ass. Prof., University Politehnica of Bucharest, Romania
dc.rev Gudzius, Saulius, Prof., Kaunas University of Techology, Lithuania
dc.date.defence 2018-05-25
local.aalto.acrisexportstatus checked


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account