Väitös: Haitallisten vuorovaikutusten ennustaminen ja ehkäisy tehoelektroniikkaan perustuvissa sähköjärjestelmissä

Monet nykyaikaiset sähköjärjestelmät, kuten akkujärjestelmät, aurinkopaneelit, ja tuuliturbiinit, tarvitsevat tehoelektroniikkaa tuottaakseen sähköä tehokkaasti ja muokatakseen sitä käytettävään muotoon. Sähköntuotannon monipuolistuessa niin sähköverkko kuin pienemmätkin sähköjärjestelmät koostuvat yhä monimuotoisemmista laitteista, joiden oikeanlainen toiminta on varmistettava osana erittäin monimutkaista kokonaisuutta, jossa useat laitteet toimivat yhdessä.

– Sähköntuotantoa on pyritty monipuolistamaan, ja tehoelektroniikka tarjoaa tähän hyvin monipuolisia ja energiatehokkaita ratkaisuja. On kuitenkin tärkeää tiedostaa, että väärin toteutettuna tähän teknologiaan liittyy myös riskejä, Roosa-Maria Sallinen kertoo.

Tehoelektroniikkajärjestelmien kyky reagoida muutoksiin on huomattavasti nopeampi kuin perinteisillä tahtigeneraattoreihin pohjautuvilla sähköntuotantolaitteilla. Lisäksi esimerkiksi akkuenergiajärjestelmissä tehoa siirretään toimintatilasta riippuen kahteen suuntaan, mikä eroaa perinteisestä sähköntuotannosta.

Oikein toteutettuna tehoelektroniikka tarjoaakin mahdollisuuksia muun muassa tehokkaampaan tehonsäätelyyn, mutta samaan aikaan myös haitalliset vuorovaikutukset laitteiden välillä muuttavat esiintymistapaansa perinteisiin järjestelmiin verrattuna. Näiden vuorovaikutusten tarkasteluun ja haittojen ehkäisyyn tarvitaan uusia menetelmiä sähköjärjestelmien luotettavuuden ja sähkön laadun varmistamiseksi.

Menetelmiä tehoelektroniikkakeskeisten sähköjärjestelmien toiminnan kehittämiseen

Väitöskirjassaan Sallinen esittelee menetelmiä tehoelektroniikkakeskeisten sähköjärjestelmien stabiiliuden ja toiminnan tarkasteluun sekä niiden toiminnan kehittämiseen. Menetelmät soveltuvat analysoimaan sekä nopeasti että hitaasti esiintyviä vuorovaikutuksia sekä arvioimaan niiden vaikutuksia järjestelmän toimintakykyyn. Analysointia voidaan tehdä myös reaaliaikaisesti hyödyntämällä laitteilla itsellään tuotettua mittausdataa.

– Menetelmillä voidaan analysoida mahdollisia haitallisia vuorovaikutuksia jo suunnitteluvaiheessa, mikä edesauttaa ongelmien ennaltaehkäisyä. Analysointi onnistuu myös reaaliaikaisesti siten, että laitteet voivat ennakoida toimintaympäristöstä aiheutuvia riskejä ja mukauttaa toimintaansa niiden ehkäisemiseksi, Sallinen sanoo.

Esitellyt analysointimenetelmät mahdollistavat aiempaa älykkäämpien säätöratkaisujen hyödyntämisen, jolloin yksittäisten laitteiden on mahdollista mukautua senhetkiseen toimintaympäristöön ja tukea sitä.

– Tärkeänä osana tutkimuksessani onkin häiriöiden ehkäisy analysointimenetelmiin tukeutuvilla säätöalgoritmeilla, jolloin järjestelmät pystyvät toimimaan luotettavasti hyvinkin erilaisissa tilanteissa ja tukemaan haluttua toimintaa. Tällöin sähköjärjestelmien luotettavuus paranee, kun erilaisten laitteiden yhteen liittäminen ei aiheuta vuorovaikutuksesta johtuvia ongelmia.

Menetelmien yhtenä merkittävänä sovellutuksena on monipuolista sähköntuotantoa tukevien sähköverkkojen ja järjestelmien kantokyvyn varmistaminen ja erityisesti uusiutuvan sähköntuotannon kapasiteetin kasvattaminen. Ilman haitallisten vuorovaikutusten tunnistamista ja ennaltaehkäisyä uusiutuvien energianlähteiden liittäminen sähköverkkoomme voisi vaikeutua verkon rajallisen kantokyvyn vuoksi.

Väitöstilaisuus perjantaina 9. kesäkuuta

Diplomi-insinööri Roosa-Maria Sallisen tehoelektroniikan alaan kuuluva väitöskirja Broadband Methods in Dynamic Analysis and Control of Battery Energy Storage Systems tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnassa perjantaina 9.6.2023 kello 12 Hervannan kampuksella Tietotalon auditoriossa TB109 (Korkeakoulunkatu 1, Tampere). Vastaväittäjänä toimii tohtori Juha Huusari ABB:ltä. Kustoksena toimii professori Tomi Roinila informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnasta.