Auswirkungen der PV-Einspeisung auf die Spannungsharmonischen. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Stromerzeugung durch Photovoltaik (PV) spielt eine wichtige Rolle im Bereich der sauberen und erneuerbaren Energien. Die Erfassung von PV-Leistungsdaten erfordert jedoch in der Regel, dass das Personal vor Ort die Daten erfasst und diese dann an die Datenanalysten weiterleitet. Oberschwingungsdaten hingegen sind einfacher zu erfassen und Datenanalysten können über TCP/IP-Kommunikation direkt auf diese Daten zugreifen. Daher kann die Erfassung der PV-Leistung über Oberschwingungsdaten die Erfassung effizienter und bequemer machen. Bei der Analyse der PV-Anlage der Stromerzeugung wird festgestellt, dass die Schwankungen der PV-Leistung hauptsächlich die 5. und 7. Da diese Oberschwingungsdaten eine offensichtliche Korrelation mit der PV-Leistung aufweisen und die Daten zeitkontinuierlich sind, haben wir den Pearson-Korrelationskoeffizienten für eine detaillierte Analyse verwendet. Anhand der tatsächlich gemessenen Daten konnten wir feststellen, dass es signifikante und starke Korrelationen zwischen der 5. und 7. Oberschwingungen und der PV-Leistung gibt. Basierend auf diesen Oberschwingungsdaten haben wir künstliche neuronale Netzwerkmodelle, d.h. BPNN und LSTM, verwendet, um die PV-Leistung vorherzusagen. Mit begrenzten Trainingsdaten haben wir das Vorhersagemodell erfolgreich erstellt und einen hohen Bestimmtheitsmaß-Koeffizienten mit kurzfristigen Testdaten erreicht.
Netzimpedanzermittlung in Echtzeitsimulationsumgebungen zur Analyse und Bewertung des Netzzustandes. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Der fortschreitende Zuwachs von erneuerbaren Energien wie Photovoltaik oder Windturbinen, die Stilllegung von Großkraftwerken und die Integration von Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) stellt das europäische Übertragungsnetz vor neue Herausforderungen. Der Wegfall rotierender Massen und die Integration von aktiven, schnell agierenden Betriebsmitteln hat einen signifikanten Einfluss auf die Systemstabilität. Darüber hinaus wächst durch die wachsende Dynamik des Netzes auch das Interesse an automatisierten Eingriffen übergeordneter Betriebsführungsautomatismen, welche in den Systemzustand stabilisierend eingreifen. Zur Bewertung dieses Einflusses bedarf es angepasster Simulationsumgebungen und Bewertungsmethoden. In der Vergangenheit wurden in der Regel Offline-Kontingenzanalyse eingesetzt, um die Systemstabilität für verschiedene Szenarien zu bewerten. Echtzeitmethoden sind entscheidend, um die Systemsicherheit zu gewährleisten. Die Echtzeitsimulationslösung ermöglicht nicht nur eine schnellere Prototypentwicklung, sondern auch die schnelle Generierung von Ergebnissen für Langzeitsimulationen in der Netzwerkplanung und -analyse. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Ermittlung der Netzimpedanz, welche den elektrischen Widerstand und die Reaktanz eines Stromnetzes umfasst. Die Netzimpedanz spielt eine entscheidende Rolle bei der Identifizierung von Engpässen und Problemen im Stromnetz. Durch die genaue Kenntnis der Netzimpedanz können potenzielle Spannungsabfälle, Resonanzphänomene und andere Netzreaktionen analysiert werden. Bei der Ermittlung der Netzimpedanz können invasive und nicht-invasive Methoden eingesetzt werden. Für die vorliegende Arbeit wurde eine umfangreiche Recherche zur Netzimpedanz und deren Bedeutung durchgeführt, mit Fokus auf Motivation, Methoden und Umsetzung in Echtzeit-Simulationen. Die invasive Methode beinhaltet das gezielte Einspeisen eines bekannten elektrischen Stroms oder einer bekannten Spannung in das Netz. Anschließend werden die resultierenden Spannungen oder Ströme gemessen, um die Impedanz des Netzes zu bestimmen. Die Durchführung einer Fast Fourier-Transformation, kombiniert mit geeigneter Fensterung und Filterung, ist von entscheidender Bedeutung, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Es werden verschiedene Anregungssignale eingeführt, von denen vier angewendet werden, um das Netz anzuregen. Nicht-invasive Methoden hingegen ermöglichen die Ermittlung der Netzimpedanz ohne physischen Eingriff in das Netz. Zu diesem Zweck wurden PMUs verwendet, um die erforderlichen Daten zu messen, und die Netzimpedanz wurde mittels der vorgestellten Methode ermittelt. Es wurden 4 unterschiedliche Szenarien implementiert, um die Umsetzbarkeit dieses Ansatzes während realer Ereignisse im Stromnetz zu verifizieren. Diese Methoden umfassen beispielsweise die Analyse von Messungen an Netzwerkanschlüssen, die Anwendung von Modellierungstechniken. Diese Ansätze basieren auf der Verwendung von vorhandenen Messgrößen, um die Netzimpedanz zu bestimmen, ohne das Netzwerk selbst zu beeinflussen.
Modellierung von Systemkomponenten für ein mit Wasserstoff betriebenes Fernleitungsgasnetz zur Simulation eines sektorengekoppelten Energiesystems. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Aufgrund der politisch unsicheren Situation der Erdgasimporte und der großen Herausforderungen des Klimawandels, hat sich Deutschland zum Ziel gesetzt, die Abhängigkeit von fossilen Primärenergieträgern zu reduzieren und die Treibhausgasemissionen (CO₂-Emissionen) in allen Bereichen zu minimieren. Bisherige Aktivitäten zur Reduzierung der CO₂-Emissionen im Energiesektor konzentrieren sich vorrangig auf die Energieerzeugung im Stromsektor. Neben dem Stromsektor müssen auch die Sektoren Wärme und Gas bei der Reduzierung der CO₂-Emissionen zunehmend betrachtet werden. Durch den Rückbau konventioneller Kraftwerke und einem gleichzeitigen Ausbau erneuerbarer Energien nimmt die Fluktuation in der Energieerzeugung zu. Eine Lösung der Herausforderung der steigenden Fluktuation der Energieerzeugung zu begegnen und Systemdienstleistungen CO₂-minimal bereitzustellen, ist ein sektorengekoppeltes Energiesystem. Dadurch ist es möglich, Leistungsdefizite oder -überschüsse im Stromsektor mit auszugleichen und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen bei der Bereitstellung von Regelleistung zu verringern. Mögliche Kopplungstechnologien zwischen Strom- und Gassektor sind z. B. Elektrolyse-Anlagen oder Brennstoffzellen. Bei beiden Technologien kommt Wasserstoff als Speichermedium zum Einsatz. Der Hauptenergie-träger im Gassektor ist aktuell aber Erdgas und um die Sektorenkopplung CO₂-Neutral zu realisieren, muss dieses durch Wasserstoff, produziert aus Erneuerbaren Energien, ersetzt werden. Das Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas andere Stoffeigenschaften aufweist, muss untersucht werden, wie das bestehende Erdgasnetz anzupassen ist, um es mit Wasserstoff betreiben zu können. Daher liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit bei der Modellierung und Untersuchung der Gasdruckregelanlagen und Verdichterstationen, sowie der Betrieb eines Wasserstoffinselnetzes. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Betrieb eines Wasserstoffnetzes eine signifikant erhöhte Leistung des Verdichters und des Gaskühlers der Verdichterstation im Vergleich zum Erdgasnetz benötigt. Es zeigt sich auch, dass die Gasdruckregelanlage im Wasserstoffnetz im Gegensatz zum Erdgasnetz einen Vorkühler anstelle eines Vorwärmers erfordert. Ein weiteres Szenario untersuchte die Möglichkeit des bidirektionalen Gasflusses, der durch eine Verschiebung der Wasserstoffeinspeisepunkte ermöglicht wird. Dies bedingt die Anpassung der Betriebsrichtungen der Verdichterstationen, was im Modell durch die Einrichtung einer zweiten Verdichterstation in entgegengesetzter Richtung und den Einsatz von 3-Wege-Ventilen erreicht wurde. Im Kontext des Inselnetzbetriebs hat die Simulation gezeigt, dass sowohl ein Betrieb mit als auch ohne Verdichterstationen realisier-bar ist.
Ansatz zur robusten Bestimmung der Blindleistungspotenziale aus unterlagerten Netzen im close-to-real-time Betrieb. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Durch die verringerte Anzahl an Kraftwerken im Übertragungsnetz entfallen wichtige regelbare Blindleistungsquellen für die Spannungshaltung, gleichzeitig steigt die Anzahl eingebundener dezentraler Erzeugungsanlagen im Verteilnetz. Zur Wahrung der Netzsicherheit in Bezug auf das Blindleistungsmanagement und Optimierungspotenziale bzgl. der Redispatchdimensionierung im Übertragungsnetz wird in dieser Arbeit ein Ansatz entwickelt, um abrufbare Blindleistungspotenziale in unterlagerten Netzen als Flexibilitätsoption zu schaffen. Der verfolgte Ansatz für den close-to-real-time Zeitbereich ist dabei aus der Sichtweise eines übergelagerten Netzbetreibers konzipiert mit den damit verbundenen Einschränkungen in der Datengrundlage bezogen auf das unterlagerte Netz. Am Beispiel eines Verteilnetzmodells wird gezeigt, welche Blindleistungspotenziale für das übergelagerte Netz verfügbar sind. Schwerpunkt der Untersuchung ist die realitätsnahe Modellierung und robuste Bestimmungsmethode für den close-to-real-time Anwendungsfall bei gleichzeitiger Berücksichtigung technischer Restriktionen und Beschränkungen.
Untersuchung der Parametrierungsalgorithmen zur Realisierung des Digital Twins für das Stromnetz. - Ilmenau. - 127 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Mit der steigenden Energienachfrage in Ländern rund um den Globus und der zunehmenden Verknappung fossiler Ressourcen werden in der Zukunft erneuerbare Energiequellen immer wichtiger für eine zuverlässige und nachhaltige Stromversorgung. Mit der zunehmenden Einspeisung von Kraftwerken für erneuerbare Energien in das Stromnetz steigen jedoch auch die Auswirkungen auf die künftige Stabilität und das Betriebsmanagement des Netzes. Um die Stabilität und den betrieblichen Erfolg des Netzes zu gewährleisten, reicht das derzeitige System der Zustandsabschätzung des Stromnetzmodells nicht mehr aus, es muss in der Lage sein, die zukünftigen Herausforderungen zu bewältigen. Die Entwicklungen auf der Grundlage der Hochleistungsrechnertechnologie haben neue Anforderungen an die Simulationsmodelle für das Stromversorgungssystem gestellt, um ein hochpräzises numerisches Modell zu erstellen, das die physikalischen Bedingungen realistisch abbildet und das künftige Verhalten sehr zuverlässig vorhersagt. In diesem Beitrag wird daher ein Verfahren zur Vorhersage von Netzzuständen unter Verwendung digitaler Zwillinge im Rahmen von Zustandsabschätzungen und -vorhersagen entwickelt. Die grundlegende Technik im Zwillingsprozess ist die Schätzung von Parametern, damit der digitale Zwilling auf den gemessenen Zustand des physikalischen Systems abgestimmt ist. Mit der Konstruktion eines digitalen Zwillings ist nicht nur eine genaue Schätzung der Parameter gemeint, sondern auch die Fähigkeit, sie in Echtzeit zu schätzen. In diesem Zusammenhang werden vier Methoden zur Parameterschätzung für die Konstruktion von digitalen Zwillingen untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, mögliche Parametrisierungsmethoden für die erfolgreiche Replikation von exakten numerischen Modellen zu untersuchen.
Control design of a data-driven power converter. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Diese Arbeit wendet eine datengestützte Methode zur Systemidentifikation und Spannungsreglung von Gleichspannungswandler an. Die Identifizierung basiert vollständig auf Messdaten wie Ausgangsspannung und -storm, die von einem simulierten Wandlermodell erhalten wurden. Eine Method namens Local Model Networks (LMNs) wird verwendet, um die Input-Output-Beziehung des Modells basierend auf eine Teile-und-herrsche-Strategie abzuleiten. Durch die Aufteilung der komplexen Identifizierungs-aufgabe in der Identifizierung kleiner lokaler Modelle und deren Zusammenführung erhält man das dynamische Verhalten des Gleichspannungswandlers. Später wird auf Basis des identifizierten Modells für einen Standalone-DC/DC Wandler ein neuartiger Typ entwickelt. Es wurden mehrere sinnvolle Anwendungsfälle entwickelt, um den vorgeschlagenen Regler zu validieren. Abschließend werden die Regelverhalten des entworfenen Reglers mit dem Proportional-Integral (PI) Regler verglichen.
Multikriterieller Bewertungsansatz für die Evaluierung von kurativen Maßnahmen. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Durch die zunehmende Dezentralisierung der Energieversorgung aufgrund eines verstärkten Zubaus erneuerbarer Energieträger und eines zurücklaufenden Einsatzes von konventionellen verbrauchernahen Kraftwerken, muss das heutige elektrische Energiesystem an die neuen technischen und ökonomischen Herausforderungen angepasst werden, die diese neue energiewirtschaftliche Realität stellt. Eine der durch die rasante Integration von erneuerbaren Energien entstehenden Herausforderungen stellt der wachsende Leistungstransit dar, welcher wiederum zu Netzengpässen innerhalb des Stromnetzes führen kann. Zur Behebung dieser Problematik werden aktuell mehrere Strategien eingesetzt. Zum einen werden Ausbauvorhaben der existierenden Energieinfrastuktur geplant, die dennoch nicht ausreichend schnell durchgeführt werden. Zum anderen werden zunehmend aufwändige Redispatchmaßnahmen präventiv eingesetzt, die aufgrund ihrer hohen Kosten sich als eine unwirtschaftliche Lösung erweisen. Eine vielversprechende Alternative zum Engpassmanagement stellen die sogenannten kurativen Maßnahmen dar, die erst nach dem Fehlereintritt eingesetzt werden können, eine Reduktion der präventiven Redispatch-Maßnahmen sowie eine Höherauslastung und somit eine bessere Ausnutzung der bereits exisitierenden Übertragungskapazitäten des Energiesystems erlauben. Infolgedessen wird in der nahen Zukunft eine Verbreitung dieser Ansätze angestrebt. Ein erfolgreicher Einsatz solcher Maßnahmen ist aktueller Gegenstand der Forschung und ein wichtiger Aspekt dabei stellt die Evaluierung der kurativen Maßnahmen anhand verschiedener Bewertungskriterien dar. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit dieser Fragestellung, indem zunächst messbare, für die Bewertung der Maßnahmen relevanten Kriterien identifiziert werden. Ein besonderer Fokus wird hierbei auf den Aspekt der menschlichen Interaktion mit den Systemen zur Auslösung solcher kurativen Maßnahmen. Diese kann bspw. durch die Quantifizierung des menschlichen Fehlerpotenzials, auch Human Error Probability genannt (HEP), erfolgen. Zu diesem Zweck wird zunächst die SPARH-H Methode aus dem Bereich der Human Factors für die Bestimmung der HEP angewandt. Darauffolgend wird die HEP zusammen mit anderen für die kurativen Maßnahmen kennzeichnenden Faktoren als Kriterien für deren Bewertung verwendet. Für die technische Umsetzung der multikriteriellen Bewertung der kurativen Maßnahmen mit dem Ziel, eine Rangfolge zu erstellen, wird die PROMETHEE Methode zur multikriteriellen Bewertung herangezogen. Zur Validierung der untersuchten Methodiken wurden Simulationsergebnisse aus einem Leitwartendemonstrator verwendet. Hierfür wurden zur Validierung der HEP Fehlerszenarien durchgespielt, die von fünf Systemführer mithilfe von kurativen Maßnahmen behoben wurden. Die daraus stammenden Daten wurden anschließend mit der SPAR-H Methode verarbeitet. Für die Evaluierung der multikriteriellen Bewertung von kurativen Maßnahmen mit numerischen Werten wurden Daten aus Simulationen von stationären Netzmodellen verwendet. Es wird gezeigt, dass die angewandten Herangehensweisen eine solide Basis für die Einschätzung von HEPs im Rahmen von Leitwartensystemen sowie die Bewertung von kurativen Maßnahmen darstellen, die auch um beliebig viele Kriterien und Maßnahmen erweitert werden können.
Eine Leiter-Erde-Fehlerklärungsstrategie für vermaschte bipolare HGÜ-Systeme mit metallischem Rückleiter. - Ilmenau. - 108 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In Anbetracht der Energiewende und des Bedarfs für Übertragung von hohen Leistungen über lange Strecken hat sich die Hochspannungsgleichstromübertragung-Technologie (HGÜ-Technologie) als ein effizienter Ansatz erwiesen. Es ist erwartet, dass vermaschte HGÜ-Systeme in der Zukunft ein Schlüsseltechnologie der elektrischen Energieversorgungssysteme sind. Ein zu gewährleistendes Kriterium bei den vermaschten HGÜ-Systemen ist die Versorgungssicherheit, genauso wie bei den konventionellen Hochspannungsdrehstromübertragungssystemen (HDÜs). Also ist es wesentlich, die unterschiedlichen eventuellen Fehlerszenarien sowie die dementsprechenden Fehlerklärungsmaßnahmen zu untersuchen. Das was die Kurzschlussfehler und die dementsprechenden Maßnahmen bei HGÜ-Systemen von denen bei den HDÜ-Systemen auszeichnet, ist die hohe Fehlerstromanstiegsrate und der fehlende Stromnulldurchgang des Fehlerstromes in HGÜ-Systemen. Dies macht die Abschaltung des Fehlerstromes besonders herausfordernd. Bei HDÜ-Systemen ist die Fehlerstromabschaltung mittels AC-Leistungsschalter möglich, die den Fehlerstrom innerhalb einige zehn Millisekunden abschalten können. Zum Abschalten von Fehlerströmen in HGÜ-Systemen sind aber aus den o.g. Gründen noch keine normierten DC-Leistungsschalter vorhanden. Die vorliegende Arbeit befasst sich damit, eine Fehlerklärungsstrategie für vermaschte bipolare HGÜ-Systeme auszuarbeiten, die unabhängig vom Einsatz der DC-Leistungsschalter funktionsfähig ist. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf bipolaren HGÜ-Systemen, denn die Stromübertragung über diese Systeme auch ohne den Beitrag des anderen Pols möglich ist. Diese Arbeit nutzt die Fehlerstromabschaltungsfähigkeit des voll-Brücke Voltage-Source-Converters (VB-VSCs) aus und arbeitet ein Verfahren aus, durch das der ununterbrochene Weiterbetrieb des fehlerfreien HGÜ-Systempols sowie das Wiederhochfahren des fehlerbehafteten HGÜ-Systempols nach der Fehlerstelleisolierung möglich ist.
Development of a dynamic power system equivalent as novel assistant system for power system operation. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Mit dem Ziel der Dekarbonisierung des Energiesektors wird der Ausbau der regenerativen Energieerzeugung stark vorangetrieben. Die fortschreitende Transformation der Energiesysteme stellt eine ständige Herausforderung für die Energieversorgung dar. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Energieerzeugung von der Übertragungsnetzebene zur Verteilnetzebene verlagert. Die Vorstellung eines passiven, deterministischen Verteilnetzes mit ausgeprägtem Lastcharakter ist nicht mehr gültig. Stattdessen hat das Aufkommen von wechselrichterbasierten Verteilnetzen und die Volatilität der erneuerbaren Energiequellen zu dynamischen und stochastischen Verteilnetzen geführt, die weniger vorhersehbar sind. Ein höherer Automatisierungsgrad im täglichen Verteilnetzbetrieb ist unumgänglich, um mit der zunehmenden Unsicherheit und Dynamik umzugehen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines dynamischen Äquivalents, welches das dynamische Verhalten eines Übertragungsnetzes darstellen kann. Die Verfügbarkeit dieser Modelle ist von grundlegender Bedeutung, um die Zusammenarbeit zwischen den Übertragungs- und Verteilnetzbetreibern zu ermöglichen. Dies ist auf den großen Einsatz von dezentraler Erzeugung zurückzuführen, der dazu führt, dass Verteilnetze nicht mehr eine passive, sondern eine aktive Rolle im modernen Stromsystem spielen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik zur Erstellung eines dynamischen Äquivalenzmodells auf der Grundlage eines Synchronmaschinenmodells dritter Ordnung zur Darstellung der Dynamik eines gegebenen Übertragungsnetzes präsentiert. Durch die Anwendung des dynamischen Äquivalenzmodells auf ein Testsystem wird die Methodik validiert. Die Ergebnisse zeigen den begrenzten Einfluss des Übertragungsnetzes auf das dynamische Verhalten des Verteilnetzes und deuten darauf hin, dass die vorgeschlagene Methodik zur Erstellung eines dynamischen Äquivalents nicht geeignet ist, um einen signifikanten Mehrwert für dynamische Bewertungen zu erzielen.
Anwendung von Künstlicher Intelligenz in Power Systems zur Datenauswertung und Ursachenermittlung : Bewertung des Potenzials anhand von Spannungseinbrüchen. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Im Zuge der Energiewende werden konventionelle Energieerzeuger durch erneuerbare Energien verdrängt, die wichtige Bereitsteller von Blindleistung sind. Um Spannung in einem definierten Spannungsband zu halten, muss genügend Blindleistung am Netz bereitgestellt werden, was allerdings mit dem Abschalten konventioneller Kraftwerke fortwährend schwieriger wird und die Integration neuer Blindleistungsbereitsteller, ebenso wie der Netzausbau, noch Jahre andauert. Im Rahmen der Systemsicherheit hat die Thematik der Spannungshaltung in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Um zukünftig besser mit geringen Blindleistungsreserven im Netz umgehen zu können, werden in diesem Zusammenhang Spannungseinbrüche auf ihre Ursachen hin untersucht, da sie nunmehr häufiger und kritischer auftreten. In diesem Zusammenhang ist die Anwendung von Methoden Künstlicher Intelligenz zur Auswertung von nicht-kategorisierten Daten und Erkennung von Mustern vielversprechend. In der vorliegenden Arbeit wird das Potenzial von Methoden der Künstlichen Intelligenz zur Datenauswertung und Ursachenermittlung in Power Systems anhand der Problematik der Spannungseinbrüche untersucht und Methoden des Unsupervised Learnings angewandt.