F. M. Mahafugur Rahman sähkötyötilassa päällään oranssi työtakki.

Algoritmit korvaavat generaattoreitakin

25.11.2022
|
Uutinen

TEKin ja TFiFin vuoden 2022 väitöskirja­palkinnon saaja F. M. Mahafugur Rahman raivaa sähkö­verkkoon lisää tilaa tuuli- ja aurinkosähkölle.

Kuvateksti: Kilpailuvaltti.  F. M. Mahafugur Rahman oli kuullut, että diplomitöistä maksetaan Suomessa yleensä palkkaa. Siksi hän valitsi Suomen Ruotsin ja Norjan sijaan.

Uusiutuva energia ja sen säätely seuraavan sukupolven verkkosuuntaajien avulla oli mitä ajankohtaisin aihe jo kesäkuussa 2021, kun F. M. Mahafugur Rahman esitteli väitöstyötään.

– Tuuli- ja aurinkosähkön osuus EU:n sähköntuotannosta on jo 20 prosenttia, hän kertoi väitöstilaisuuden alun lektioluennollaan.

Rahmanin kehittämillä säätöalgoritmeilla voi kasvattaa uusiutuvan sähköntuotannon osuutta sähköverkossa lähelle sataa prosenttia.

Ennusteiden mukaan tuuli- ja aurinkosähkö kattavat 2030–2040-luvuilla jo leijonanosan koko maailman jatkuvasti kasvavasta sähköntarpeesta.

Harva arvasi, että vain vuotta myöhemmin väitöskirjan aihe olisi vielä entistäkin ajankohtaisempi. Sähkön hinnan noustua ennätyslukemiin tuulivoimaa rakennetaan Suomessa ennätysvauhdilla, ja aurinkovoimaloita nousee talojen katoille myös keskellä pimeintä vuodenaikaa.

Harva arvasi, että vain vuotta myöhemmin väitöskirjan aihe olisi vielä entistäkin ajankohtaisempi.

Työn ajankohtaisuutta korosti myös Tekniikan akateemiset TEKin palkintolautakunta, joka palkitsi Rahmanin väitöskirjan vuoden 2022 parhaana tekniikan alan väitöksenä.

Verkkosuuntaaja matkii generaattoria

Valtaosa sähköstä tuotetaan pyörivillä generaattoreilla. Perinteisten voimalaitosten tahtikoneet, kuten vesi- tai lämpövoimalaitosten turbiinit, on kytketty verkkoon fyysisin kytkennöin.

Rakennusten kattoja koristavien aurinkopaneelien tasavirta taas syötetään verkkoon invertterin eli vaihtosuuntaajan läpi. Aurinko- ja tuulivoimaloiden vaihtosuuntaajien tehoelektroniikkaa ohjaavat ohjelmistot, jotka on suunniteltu vanhaan maailmaan, jossa aurinko- ja tuulituotanto on vain pieni lisä muiden tuotantomuotojen rinnalla.

– Kun perinteisten voimaloiden osuus verkossa vähenee, tarvitsevat niitä korvaavat verkkosuuntaajat uudenlaisia säätöalgoritmeja, Rahman selittää.

Juuri tästä syystä Rahmanin väitöskirjan menetelmät ovat tulevaisuudessa kullan arvoisia.

(Juttu jatkuu kuvan jälkeen.)

image with text

Moitteeton. F. M. Mahafugur Rahmanin väitöskirja on kerännyt kiitosta ja viittauksia. Esitarkastajina toimineet professorit hyväksyivät työn ilman muutoksia, ja kehuja sateli myös vastaväittäjänä toimineelta italialaisprofessori Paolo Mattavellilta.

Rahmanin väitöskirjan viitatuimman paperin aihe on uusi seuraavan sukupolven verkkosuuntaajateknologia. Nämä niin sanotut verkkoa luovat suuntaajat käyttäytyvät sähköverkossa samaan tapaan kuin pyörivät generaattorit.

Ne eivät lukitu verkon taajuuteen, vaan matkivat tahtikoneiden toimintaa. Jos verkon taajuus laskee tai jännite muuttuu, verkkoa luova suuntaaja vastustaa muutosta samaan tapaan kuin generaattori, jonka pyörivät massat pyrkivät jatkamaan pyörimistään entisellä nopeudella.

Aalto vei voiton

Rahmanin palkitun työn ensiaskel otettiin syyskuussa 2014, kun Bangladeshissa tekniikan kandidaatin tutkintonsa suorittanut opiskelija saapui Otaniemeen.

– Minä ja hyvä ystäväni haimme eri maiden tekniikan alan yliopistoihin, Rahman kertoo.

Listalla olivat Pohjoismaiden parhaat insinööriyliopistot, NTNU Norjassa, KTH Ruotsissa ja Aalto Suomessa.

Ovet avautuivat lahjakkaalle hakijalle jokaiseen niistä. Rahmanin piti vain päättää, missä maisteriopintonsa suorittaisi.

Valinnan ratkaisi varsin käytännönläheinen seikka, raha. Rahman oli kuullut, että diplomitöistä maksetaan Suomessa yleensä palkkaa.

– Se sai minut valitsemaan Aallon. Ajattelin että jos työskentelen ahkerasti, löydän kesätöitä ja saan palkallisen diplomityöpaikan.

Näin myös kävi.

Pian opintojen alettua Rahman meni Electric Drives -tutkimusryhmää johtavan professori Marko Hinkkasen juttusille. Ryhmän tutkimusaihe, sähkömoottorien ja vaihtosuuntaajien ohjaus, kiinnosti lahjakasta opiskelijaa.

Professori Hinkkanen palkkasikin Rahmanin saman tien kesätöihin. Ryhmässä syntyi myös Rahmanin diplomityö ja lopulta väitöskirja. Molempia tutkimuksia rahoitti Rahmanin nykyinen työnantaja ABB.

– Olin todella onnellinen. Toiveeni toteutui vain muutamassa kuukaudessa.

Teoriaa ja käytäntöä

Väitöskirjan kuudessa tutkimuspaperissa esitellään joukko seuraavan sukupolven verkkosuuntaajien ohjausalgoritmeja. Ne ratkovat esimerkiksi ongelmia, joihin törmätään, kun kaukana sähkön kuluttajista sijaitseva tuulipuisto kytketään kantaverkkoon pitkän siirtolinjan välityksellä.

– Työssä on edistetty alan teoriaa ja löydetty kokonaan uusia yhteyksiä näennäisesti erilaisten ohjausmenetelmien välillä – ja samalla tehty kokeellista tutkimusta. Väitöskirjan tekijä suunnitteli ja toteutti itse monet tarvittavista prototyypeistä, kiitteli vuoden väitöskirjan valinnut palkintolautakunta.

Todensin kaikkien ohjausalgoritmien toimivuuden myös kokeellisesti.
- F. M. Mahafugur Rahman

– Todensin kaikkien ohjausalgoritmien toimivuuden myös kokeellisesti, kertoo Rahman esitellessään kuvaa itse suunnittelemastaan prototyyppilaitteistosta.

Sen ydin on verkkosuuntaaja, jonka vakio-ohjausalgoritmi on korvattu Rahmanin kirjoittamalla ohjelmistolla.

Kun testipenkki kytkettiin toimintaan, osoittivat uudet ohjausalgoritmit toimivuutensa myös tilanteissa, josta nykysuuntaajat eivät selviydy.

Eurooppalaisten kantaverkkoyhtiöiden yhteistyöjärjestö arvioi, että sähköverkot joutuvat stabiiliusongelmiin hetkinä, jolloin nykyisillä suuntaajateknologioilla verkkoon liitetyn sähkön osuus nousee yli 60 prosentin.

– Algoritmit osoittautuivat toimiviksi kaikenlaisissa verkko-olosuhteissa. Niitä ei tarvitse erikseen säätää tai modifioida verkkoa varten. Tämä oli se jännittävin tulos työssäni. Onnistuin keksimään jotain uutta, Rahman iloitsee.

Yksi säätöalgoritmeihin liittyvä patenttihakemuskin on vireillä.

F. M. Mahafugur Rahmanin tie tekniikan tohtoriksi

  • 1988. F. M. Mahafugur Rahman syntyy Pangshan pikkukaupungissa Bangladeshissa.
    – Minulla on ollut intohimo tieteeseen ja matematiikkaan lapsesta asti. Setäni olivat insinöörejä, se varmasti vaikutti uravalintaan.
  • 2007. Rahman aloittaa sähkötekniikan opinnot Chittagong University of Engineering & Technologyssa.
  • 2011. Rahman valmistuu tekniikan kandidaatiksi erinomaisin arvosanoin.
  • 2012. Aloittaa työt Sylhetissä Metropolitan Universityn opettajana.
  • 2014. Rahman muuttaa Suomeen ja aloittaa maisteriopinnot Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulussa.
  • 2016. Valmistuu diplomi-insinööriksi, aloittaa jatko-opinnot tutussa Electric Drives -tutkimusryhmässä.
  • 2021. Väitöskirja ”Weak-grid tolerant control methods for voltage-source converters" hyväksytään Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulussa. Rahman aloittaa työt ABB:n R&D-insinöörinä.
  • 2022. Rahman saa Aalto-yliopiston sekä TEKin ja TFiFin vuoden 2022 väitöskirjapalkinnot.

Mitä haluat saada aikaan tekniikan tohtorina?

– Haluaisin nähdä säätöalgoritmini jokapäiväisessä käytössä tulevaisuuden verkkosuuntaajissa.

Suosikkileikkikalu

BMW 330e. – Auto ei ole varsinainen lelu, mutta tykkään ajamisesta.

Suosikkiharrastus

Jalkapallo. – Pelaamme pari tuntia joka sunnuntai.

F. M. Mahafugur Rahman henkilökuvassa.
Pitkällä tiellä. Pohjoismaissa tuuli- ja aurinkovoiman osuus on hetkellisesti noussut jo 40 prosenttiin kaikesta tuotetusta sähköstä. F. M. Mahafugur Rahman innostui uusiutuvasta energiasta jo kandidaattiopinnoissaan Bangladeshissa.

ABB pestaa palkitut väittelijät

Aalto-yliopiston Electric Drives -tutkimusryhmä on varsinainen palkintorohmu. TEKin ja TFiFin väitöskirjapalkinto vuosina 2020 ja 2022 sekä Aalto-yliopiston omat väitöskirjapalkinnot vuosina 2018, 2020 ja 2022 ovat kaikki menneet ryhmän tutkijoille.

Ryhmän vetäjä, professori Marko Hinkkanen arvelee, että menestyksen syy on etevissä opiskelijoissa. Kaksi vuotta sitten TEKin ja TFiFin väitöskirjapalkinnon pokkasi Asad Awan seuraavan sukupolven sähkömoottorien ohjausmenetelmillään, nyt F. M. Mahafugur Rahman verkkosuuntaajien ohjausalgoritmeilla.

– Molemmat ovat ahkeria kavereita, joiden hyvät julkaisut ovat herättäneet kiinnostusta sekä tiedemaailmassa että teollisuudessa, Hinkkanen kehuu.

Toinen palkinto kahden vuoden sisään oli silti professorillekin suuri yllätys.

Sähkötekniikan taitajille on töitä hyvin tarjolla. Usein uusi työnantaja on ABB, jonka palkkalistoilla työskentelevät myös molemmat palkitut tohtorit.