Kaiserslautern - Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
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Nachfolgend ist ein modularer Multilevel-Umrichter mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen beschrieben, bei dem eine erste Gruppe von Modulen hintereinander zu einem geschlossenen Ring verschaltet sind und mindestens zwei Abgriffe jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelmodulen des Rings angeordnet sind. An mindestens zwei Abgriffen ist je eine zweite weitere Gruppe von Modulen als von der Ringanordnung abzweigendes und einen Sternstrang bildendes Phasenmodul vorgesehen ist. Diese letztgenannten Gruppen von Modulen bilden an den Enden jeweils Anschlüsse oder Abgriffe. Die Module erlauben durch Schaltelemente ein Verschalten von Energiespeichern benachbarter Einzelmodule, wodurch zwischen zwei benachbarten Phasenanschlüssen eine Spannungsdifferenz bereitstellbar ist, die von einer Steuereinheit entsprechend eines Verlaufs eines mehrphasigen Drehfeldes regelbar ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Polyphasensystem und ein Verfahren zum effizienten Leistungsaustausch zwischen Modulen.
Regelkonzept für eine Niederspannungsnetzautomatisierung unter Verwendung des Merit-Order-Prinzips
(2022)
Durch die zunehmende Erzeugungsleistung auf Niederspannungsnetzebene (NS-Netzebene) durch Photovoltaikanlagen, sowie die Elektrifizierung des Wärme- und des Verkehrssektors sind Investitionen in die NS-Netze notwendig. Ein höherer Digitalisierungsgrad im NS-Netz birgt das Potential, die notwendigen Investitionen genauer zu identifizieren, und damit ggf. zu reduzieren oder zeitlich zu verschieben. Hierbei stellt die Markteinführung intelligenter Messsysteme, sog. Smart Meter, eine neue Möglichkeit dar, Messwerte aus dem NS-Netz zu erhalten und auf deren Grundlage die Stellgrößen verfügbarer Aktoren zu optimieren. Dazu stellt sich die Frage, wie Messdaten unterschiedlicher Messzyklen in einem Netzautomatisierungssystem genutzt werden können und wie sich das nicht-lineare ganzzahlige Optimierungsproblem der Stellgrößenoptimierung effizient lösen lässt. Diese Arbeit befasst sich mit der Lösung des Optimierungsproblems. Dazu kommt eine Stellgrößenoptimierung nach dem Merit-Order-Prinzip zur Anwendung.
Durch den zunehmenden Anteil erneuerbarer Erzeugung und die voranschreitende Elektrifizierung von Verkehrs- und Wärmesektor gewinnt die Möglichkeit, den Netzzustand im Verteilnetz zu kennen und steuern zu können, für die Netzbetreiber immer mehr an Bedeutung. Im Forschungsprojekt "SmartAPO" wurde ein Netzautomatisierungssystem entwickelt, das den Zustand im Niederspannungsnetz auf Basis von Smart-Meter-Daten schätzen und regeln kann.
Ziel dieser Arbeit ist die Analyse und Bewertung des Systems im Vorlauf eines Feldtests durch die Implementierung im Labor. Die Untersuchungen leisten einen Beitrag zu den Forschungsaktivitäten im Bereich intelligenter Verteilnetze.
Nach der Darstellung der im Netzautomatisierungssystem verwendeten Funktionen werden für die Laboruntersuchungen geeignete Anwendungsfälle entwickelt und qualitative Bewertungskriterien formuliert. Die Anwendungsfälle orientieren sich an realistischen Begebenheiten und beinhalten Tages- und Echtzeitprofile. Neben Haushaltslasten wird die Last durch Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen und durch Wärmepumpen einbezogen. Es kommen verschiedene Konfigurationen der Netznachbildung zum Einsatz, um die Regelung in unterschiedlichen Netztopologien zu testen. Auch der Umgang mit Störeinflüssen, wie langen Messzyklen und fehlenden Messdaten, wird betrachtet.
Durch die Auswertung der durchgeführten Untersuchungen und die Anwendung der angesetzten Kriterien wird die Spannungsregelung mit einem regelbaren Ortsnetztransformator und die Stromregelung mit einem Maschenstromregler validiert. Die betrachteten internen Funktionen werden verifiziert. Die Verifizierung des Umgangs mit Störeinflüssen erfolgt mit Einschränkungen, die den Bedarf an weiteren Untersuchungen aufzeigen.
Die gemachte Arbeit ist wichtiger Bestandteil des Forschungsprojektes und trägt dazu bei, die Netzautomatisierung im Niederspannungsnetz, die für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende in Deutschland erforderlich ist, voranzubringen.
Mit dem Vorhandensein elektrischer Energie und moderner Sensorik an elektrisch unterstützten Fahrrädern eröffnen sich neue Möglichkeiten der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen am Pedelec zur Erhöhung der Sicherheit und des Fahrkomforts. Die Leistungsfähigkeit solcher Systeme kann durch die Nutzung von Inertialsensorik weiter gesteigert werden. Jedoch müssen solche Sensoren, vor allem bei sicherheitsrelevanten Assistenzsystemen, zuverlässige, robuste und plausible Sensordaten liefern. Hieraus ergibt sich das Thema dieser Arbeit: die Evaluation von Inertialsensorik für Fahrerassistenzsysteme am Pedelec anhand systematischer Untersuchung der Fahrdynamik.
Durch simulative und experimentelle Untersuchungen der MEMS-Sensorik und der Fahrdynamik, basierend auf Testkatalogen, werden die Anforderungen an Inertialsensorik abgeleitet und die Störbarkeit der Drehrate analysiert. Dabei führt die Betrachtung verschiedener Sensortypen, Fahrszenarien und Anbaupositionen zu der Erkenntnis, dass bspw. die Anbauposition am Sattelrohr und in der Antriebseinheit besonders geeignet sind. Vor allem der betrachtete Automotive-MEMS-Sensor liefert auch bei potentiell kritischen Vibrationen bei einer Fahrt über Kopfsteinpflaster oder über Treppenstufen sowie bei Bremsenquietschen zuverlässig plausible Sensordaten.
Zusätzlich zeigt eine Betrachtung der Auswirkungen von Sensorfehlern auf eine Datenfusion, d.h. der Berechnung der Raumwinkel, dass vor allem die Minimierung des Offset-Fehlers, bspw. durch eine Langzeitkorrektur, sinnvoll erscheint und resultierende Winkelfehler minimieren kann.
Die Untersuchung der Fahrdynamik betrachtet insbesondere das Fahrszenario (kritische) Kurvenfahrt. Anhand der Fahrdaten zahlreicher Pedelec-Nutzer werden eine Methode zur Erkennung von Kurvenfahrten sowie theoretische Ansätze zur Vermeidung einer kritischen Kurvenfahrt durch einen aktiven Lenkeingriff realisiert.
In dieser Arbeit wird ein formales Modell zur Beschreibung von hardwarenaher Software
vorgestellt: Die Programmnetzliste.
Die Programmnetzliste (PN) besteht aus Instruktionszellen
die in einem gerichteten azyklischen Graph verbunden sind und dabei
alle Ausführungspfade des betrachteten Programms beinhaltet. Die einzelnen Instruktionszellen
repräsentieren eine Instruktion oder eine Instruktionssequenz. Die PN verfügt
über eine explizite Darstellung des Programmablaufs und eine implizite Modellierung des
Datenpfads und ist als Modell für die Verifikation von Software nutzbar. Die Software
wird dabei auf Maschinencode-Level betrachtet.
Die Modellgenerierung besteht aus wenigen und gut automatisierbaren Schritten. Als
Grundlage dient ein – ggf. unvollständiger – Kontrollfluss Graph (CFG), der aus der Software
generiert werden kann. Die Modellgenerierung besteht aus zwei Schritten.
Der erste Schritt ist die Erzeugung des expliziten Programmablaufs, indem der CFG
abgerollt wird. Dabei wird ein sogenannter Execution-Graph (EXG) erzeugt, der alle
möglichen Ausführungspfade des betrachteten Programms beinhaltet. Um dieses Modell
so kompakt wie möglich zu halten, werden unterschiedliche Techniken verwendet – wie
das Zusammenführen gemeinsamer Pfade und das Erkennen von “toten” Verzweigungen
im Programm, die an der entsprechenden Stelle niemals ausgeführt werden.
Im Anschluss wird im zweiten Schritt der Execution-Graph in die Programmnetzliste
(PN) übersetzt. Dabei werden alle Knoten im EXG durch eine entsprechende Instruktionszelle
ersetzt. Die Kanten des Graphen entsprechen dabei dem Programmzustand. Der
Programmzustand setzt sich aus den Variablen im Speicher wie auch dem Architekturzustand
des unterliegenden Prozessors zusammen.
Ergänzt wird der Programmzustand in der Programmnetzliste um ein sogenanntes
Active-Bit, welches es ermöglicht den aktiven Pfad in der Netzliste zu markieren. Das
ist notwendig, da die Software immer nur einen Pfad gleichzeitig ausführen kann, aber
die PN alle möglichen Pfade beinhaltet. Auf der Programmnetzliste können dann mit Hilfe
von Hardware Property Checkern basierend auf BMC oder IPC diverse Eigenschaften
bewiesen werden.
Zusätzlich wird die Programmnetzliste um die Fähigkeit zur Interruptmodellierung
erweitert.
Ein Beitrag zur Zustandsschätzung in Niederspannungsnetzen mit niedrigredundanter Messwertaufnahme
(2020)
Durch den wachsenden Anteil an Erzeugungsanlagen und leistungsstarken Verbrauchern aus dem Verkehr- und Wärmesektor kommen Niederspannungsnetze immer näher an ihre Betriebsgrenzen. Da für die Niederspannungsnetze bisher keine Messwerterfassung vorgesehen war, können Netzbetreiber Grenzverletzungen nicht erkennen. Um dieses zu ändern, werden deutsche Anschlussnutzer in Zukunft flächendeckend mit modernen Messeinrichtungen oder intelligenten Messsystemen (auch als Smart Meter bezeichnet) ausgestattet sein. Diese sind in der Lage über eine Kommunikationseinheit, das Smart-Meter-Gateway, Messdaten an die Netzbetreiber zu senden. Werden Messdaten aber als personenbezogene Netzzustandsdaten deklariert, so ist aus Datenschutzgründen eine Erhebung dieser Daten weitgehend untersagt.
Ziel dieser Arbeit ist es eine Zustandsschätzung zu entwickeln, die auch bei niedrigredundanter Messwertaufnahme für den Netzbetrieb von Niederspannungsnetzen anwendbare Ergebnisse liefert. Neben geeigneten Algorithmen zur Zustandsschätzung ist dazu die Generierung von Ersatzwerten im Fokus.
Die Untersuchungen und Erkenntnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, den Verteilnetzbetreibern bei den maßgeblichen Entscheidungen in Bezug auf die Zustandsschätzung in Niederspannungsnetzen zu unterstützen. Erst wenn Niederspannungsnetze mit Hilfe der Zustandsschätzung beobachtbar sind, können darauf aufbauende Konzepte zur Regelung entwickelt werden, um die Energiewende zu unterstützen.
Basierend auf den Erkenntnissen und Erfahrungen zum Klimawandel ergaben sich in den letzten Jahren weltweit enorme energie- und klimapolitische Veränderungen. Dies führt zu einem immer stärken Wandel der Erzeugungs-, Verbrauchs- und Versorgungsstrukturen unserer Energiesysteme. Der Fokus der Energieerzeugung auf fluktuierenden erneuerbaren Energieträgern erfordert einen weitreichenderen Einsatz von Flexibilitäten als dies bisher der Fall war.
Diese Arbeit diskutiert den Einsatz von Wärmepumpen und Speichersystemen als Flexibilitäten im Kontext des Zellularen Ansatzes der Energieversorgung. Dazu werden die Flexibilitätspotentiale von Wärmepumpen -Speichersystemen auf drei Betrachtungsebenen untersucht und validiert. Erstere berücksichtigt die Wärmepumpe, den thermischen Speicher und thermische Lasten in einer generellen Potentialbetrachtung. Darauf aufbauend folgt die Betrachtung der Wärmepumpen-Speichersysteme im Rahmen einer Haushalts-Zelle als energetische Einheit, gefolgt von Untersuchungen im Niederspannungs-Zellkontext. Zur Abbildung des Flexibilitätsverhaltens werden detaillierte Modelle der Wandler und Speicher sowie deren Steuerungen entwickelt und anhand von Zeitreihensimulationen analysiert und evaluiert.
Die zentrale Frage ob Wärmepumpen mit Speichersystemen einen Beitrag als Flexibilität zum Gelingen der Energiewende leisten können kann mit einem klaren Ja beantwortet werden. Dennoch sind die beim Einsatz von Wärmepumpen-Speichersystemen als Flexibilität zu beachtenden Randbedingungen vielfältig und bedürfen, je nach Anwendungszweck der Flexibilität, einer genauen Betrachtung. Die entscheidenden Faktoren sind dabei die Außentemperatur, der zeitliche Kontext, das Netz und die Wirtschaftlichkeit.
Entwicklung eines Verfahrens zur dreiphasigen Zustandsschätzung in vermaschten Niederspannungsnetzen
(2018)
Betreiber von Niederspannungsnetzen sind im Zuge der Energiewende durch den anhaltenden Ausbau dezentraler Erzeugungsanlagen und dem Aufkommen der Elektromobilität mit steigenden Netzauslastungen konfrontiert. Zukünftig wird ein sicherer Netzbetrieb ohne Leitungsüberlastungen grundsätzlich nur gewährleistet sein, wenn der Netzzustand durch geeignete Systeme ermittelt wird und auf dessen Basis ein intelligentes Netzmanagement mit regelnden Eingriffen erfolgt.
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Test eines Verfahrens zur dreiphasigen Zustandsschätzung in vermaschten Niederspannungsnetzen. Als Eingangsdaten dienen dabei Spannungs- und Strommesswerte, welche im Wesentlichen durch Smart Meter an Hausanschlusspunkten messtechnisch erfasst werden. Das Verfahren zielt darauf ab, Grenzwertverletzungen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu erkennen.
Schwerpunkte der Betrachtung sind neben der Systemkonzeptionierung zum einen die Vorverarbeitung der Systemeingangsdaten im Rahmen der Generierung von Ersatzmesswerten sowie der Erkennung von Topologiefehlern und zum anderem die Entwicklung eines Schätzalgorithmus mit linearem Messmodell und der Möglichkeit zur Lokalisierung grob falscher Messdaten.
Der zunehmende Ausbau dezentraler Erzeugungsanlagen sowie die steigende Anzahl an Elektrofahrzeugen stellen die Niederspannungsnetze vor neue Herausforderungen. Neben der Einhaltung des zulässigen Spannungsbands führen Erzeugungsanlagen und neue Lasten zu einer zunehmenden thermischen Auslastung der Leitungen. Einfache, konventionelle Maßnahmen wie Topologieänderungen zu vermascht betriebenen Niederspannungsnetzen sind ein erster hilfreicher und kostengünstiger Ansatz, bieten aber keinen grundsätzlichen Schutz vor einer thermischen Überlastung der Betriebsmittel. Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption eines Spannungs- und Wirkleistungsreglers für vermaschte Niederspannungsnetze. Durch den Regler erfolgt eine messtechnische Erfassung der Spannungen und Ströme in einzelnen Messpunkten des Niederspannungsnetzes. Mit Hilfe eines speziellen Kennlinienverfahrens kann eine Leistungsverschiebung in einzelnen Netzmaschen hervorgerufen und vorgegebene Soll- oder Grenzwerte eingehalten werden. In vorliegender Arbeit werden die analytischen Grundlagen des Reglers, seine Hardware sowie das Kennlinienverfahren zusammen mit den realisierbaren Regelkonzepten vorgestellt. Die Ergebnisse aus Simulationsstudien, Labor- und Feldtests stellen die Effektivität des Reglers eindeutig dar und werden diskutiert.