Studentische Arbeiten

Allgemeine Informationen:

Keywords: HGÜ, Kurzschluss, Umrichtermodellierung, Umrichterregelung, Numerik

Beschreibung:

• Grundsätzlich lassen sich dynamische Zeitbereichssimulationen von elektrischen Energieversorgungsnetzen in zeigerbasierte (RMS) und detailierte elektromagnetische (EMT) Simulationen unterteilen. Das Verhalten von Umrichtermodellen wird dabei durch die verwendetete Simulationsart und Modellierungstiefe bestimmt. Dies gilt vor allem für das Verhalten bei Eintritt- und Klärung von Kurzschlüssen, was auf die unterschiedlichen programminternen Abläufe der RMS und EMT Simulationen zurückzuführen ist. RMS Simulationen mit entsprechenden Umrichtermodellen zeigen hierbei im Vergleich zu EMT Modellen ein „numerisch“ fehlerhaftes Verhalten auf.
• Das Problem beschränkt sich auf definierte Zeitpunkte, wodurch eine gezielte Behebung im Modell ohne in die internen Strukturen des Netzberechnungsprogramms einzugreifen möglich ist.
• Ziel dieser Arbeit ist Optimierung von Umrichtermodellen hinsichtlich des Kurzschlussverhaltens bei Fehlereintritt und Fehlerklärung in RMS Netzberechnungssoftware.

Inhalt:

• Einarbeitung in das zu verwendene Netzberechnungsprogramm
• Theoretische Grundlagen zu Netzberechnugsprogrammen und deren programminternen Abläufen
• Theoretische Grundlagen zu MMC und HGÜ-Systemen sowie deren Regelung
• Auswahl geeigneter Ansätze zur Optimierung des „numerischen“ Verhaltens der Umrichter bei Fehlereintritt- und Klärung
• Vergleich der Ansätze mit einem bereitgestelltem detailierten HGÜ-Modell

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Für den Einstieg in das Thema sind Kenntnisse über leistungselektronische Komponeneten in Drehstromsystemen (HGÜ, FACTS), Regelungstechnik und Systemtheorie hilfreich
• Vorteilhaft sind Kenntnisse mit Netzsimulationsprogrammen (PSS®SINCAL/NETOMAC, DIgSILENT®PowerFactory, MATLAB®/Simulink)

Allgemeine Informationen:

Keywords: Energie, HGÜ, Umrichtermodellierung, Umrichterregelung

Beschreibung:

• Modulare Multilevel Umrichter (engl. MMC) verfügen, im Gegensatz zu 2- oder 3- Level Umrichtern, keinen zentralen Energiespeicher in Form eines Kondensators im Gleichstromzwischenkreis. Die Gesamtenergie, welche sich aus dem Leistungsfluss zwischen dem AC- und DC-Netz bestimmt, wird vielmehr in den Kondensatoren der sog. Submodulen zwischengespeichert.
• Mit Hilfe von hunderten Submodulen können dadurch nahzu ideale sinusförmige Wechselspannungen auf der AC-Seite der Umrichter angenommen werden. Durch diese Annahme lassen sich die detailierten Modelle der Umrichter in vereinfachtere Darstellungen überführen (sog. Average Models). Bei diesen werden die Umrichter mit gesteuerten  AC- und DC-Spannungsquellen anstelle von hunderten Submodulen modelliert, was allerdings zu einem Verlust der Information über die im Umrichter gespeicherte Energie führt. Die Umrichterenergie stellt jedoch eine wichtige Regelgröße in einem HGÜ-System dar, die für den sicheren Betrieb unerlässlich ist. Mit Hilfe einer geeigneter Ansätze lässt sich diese Information wiederherstellen und ausregeln.
• Ziel dieser Arbeit ist implementierung eines vereinfachten HGÜ-Modelles unter Berücksichtigung der im Umrichter gespeicherten Gesamtenergie und der Vergleich verschiedener Ansätze.

Inhalt:

• Einarbeitung in das zu verwendene Netzberechnungsprogramm
• Theoretische Grundlagen zu MMC und HGÜ-Systemen sowie deren Regelung
• Auswahl geeigneter Ansätze zur Berücksichtigung der im Umrichter gespeicherten Gesamtenergie (z.B. regelungstechnisch, mathematisch oder elektrisch)
• Vergleich der Ansätze mit einem bereitgestelltem detailierten HGÜ-Modell

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Für den Einstieg in das Thema sind Kenntnisse über leistungselektronische Komponeneten in Drehstromsystemen (HGÜ, FACTS), Regelungstechnik und Systemtheorie hilfreich
• Vorteilhaft sind Kenntnisse mit Netzsimulationsprogrammen (PSS®SINCAL/NETOMAC, DIgSILENT®PowerFactory, MATLAB®/Simulink)

Allgemeine Informationen:

Keywords: Arbeitspunktanpassung, HGÜ, kurative Systemführung, Stabilität im elektrischen Energieversorgungsnetz

Beschreibung:

• Mit Hilfe von kurative Maßnahmen, die ohne Eingriffe in die Erzeugungsleistung von Kraftwerken gezielt Einfluss auf den Leistungsfluss nehmen, können Übertragunsnetze höher ausgelastet werden. Diese zukünftige Systemführungskonzepte erfordern den koordinierten Einsatz von inteligenten Aktoren (HGÜ und FACTS) um den sicheren Systembetrieb zu gewährleisten. Durch eine Arbeitspunktanpassung der Aktoren kann das System nach einem Fehler (z.B. Betriebsmittelausfall) wieder in den kurativ (n-1)-sicheren Zustand überführt werden.
• Eine Arbeitspunktanpassung in einem hochausgelasteten Netz nach einem Fehler kann allerdings zu unerwünschten Wechselwirkungen zwischen den Aktoren und dynamischen Komponenten im Netz führen. Im Kontext der umrichter-getriebenen Stabilität (engl. converter-driven stability) lassen sich diese in „langsame“ und „schnelle“ Interaktionen unterteilen. Zu den „langsamen“ Interaktionen zählen dabei die Wechselwirkungen von Umrichterregelungen mit elektromechanischen Komponenten und Synchronmaschinenreglern.
• Ziel dieser Arbeit ist die gezielte Analyse dieser „langsamen“ Wechselwirkungen nach einer kurativen Arbeitspunktanpassung von HGÜ-Systemen in einem bereitgestellten Netzmodell

Inhalt:

• Einarbeitung in das zu verwendene Netzberechnungsprogramm
• Theoretische Grundlagen zur kurativen Systemführung und Arbeitspunktanpassungen zur Behebung von Netzengpässen
• Auswahl einer geeigneter Verfahren zur Analyse der Wechselwirkungen zwischen Umrichter,  AC- und DC-System (z.B. Eigenwertanalyse, Impedanz-basierte Stabilitätsuntersuchungen, Untersuchungen zur Großsignalstabilität)
• Sensitivitätsanalyse des Arbeitspunktes von HGÜ-Systmen auf die Stabilität des eletrkischen Energieversorgungsnetzes
• Untersuchungen der Stabilität nach kurativer Arbeitspunktanpassungen

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Für den Einstieg in das Thema sind Kenntnisse über leistungselektronische Komponeneten in Drehstromsystemen (HGÜ, FACTS), Regelungstechnik und Systemtheorie hilfreich
• Vorteilhaft sind Kenntnisse mit Netzsimulationsprogrammen (PSS®SINCAL/NETOMAC, DIgSILENT®PowerFactory, MATLAB®/Simulink)

Allgemeine Informationen:

Keywords: Umrichterbasierte Anlagen, PSS®SINCAL/NETAOMC, RMS/EMT-Simulationen, Modellierungstiefen

Beschreibung:

• Durch den Ausbau der Erneuerbaren Energien wird das Stromnetz zunehmend von umrichterbasierten Anlagen dominiert. Da sich deren Verhalten von Synchronmaschinen unterscheidet, gilt es Auswirkungen für die Simulationsart (RMS oder EMT) und der Modelltiefe der Netzmodelle zu untersuchen. Der Fokus dieser Arbeit soll dabei auf die Modellierung von umrichterbasierten Anlagen für die RMS-Simulation liegen und Unterschiede in der Modelltiefe im Vergleich zur EMT-Simulation herausgearbeitet werden.

Inhalt:

• Einarbeitung in PSS®SINCAL/NETOMAC
• Einarbeitung und Ausbau der vorgegebenen Netzmodell und Umrichtermodelle
• Vergleich und Auswertung von unterschiedlichen Modelltiefen in der RMS-Modellierung mit einer EMT-Modellierung

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Wünschenswert sind umfassende Kenntnisse von elektrischen Energiesystemen und leistungselektronischen Komponenten
• Vorteilhaft sind Kenntnisse mit MATLAB®/Python™ und Netzsimulationsprogrammen (PSS®SINCAL/NETOMAC, DIgSILENT®PowerFactory)

Allgemeine Informationen:

Keywords: Massenberechnung, PSS®SINCAL/NETOMAC, RMS/EMT-Simulationen, Netzstabilität, Automatisierung, MATLAB®/Python™

Beschreibung:

• Durch den Ausbau der Erneuerbaren Energien wird das Stromnetz zunehmend von umrichterbasierten Anlagen dominiert. Da sich deren Verhalten von Synchronmaschinen unterscheidet, gilt es Auswirkungen für die Simulationsart (RMS oder EMT) und der Modelltiefe der Netzmodelle zu untersuchen. Unter Verwendung von Massenberechnungen können für vorliegende Netzmodelle eine Vielzahl von Betriebszuständen und Fehlern im Netz automatisch durchlaufen werden und über geeignete Algorithmen eine Rückmeldung über die Netzstabilität gegeben werden.

Inhalt:

• Einarbeitung in PSS®SINCAL und MATLAB®/Python™
• Aufbau eines Python-Skripts für die automatisierte RMS/EMT-Simulation eines Netzmodells für eine Vielzahl von Fehlerbedingungen
• Automatisierte Auswertung der Ergebnisse

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Wünschenswert sind umfassende Kenntnisse von elektrischen Energiesystemen und leistungselektronischen Komponenten
• Vorteilhaft sind Erfahrungen mit MATLAB®/Python™ und Netzsimulationsprogrammen (PSS®SINCAL/NETOMAC, DIgSILENT®PowerFactory)

Allgemeine Informationen:

Keywords: EMT/RMS Simulation, Umrichter und Regelung, DIgSILENT®PowerFactory, MATLAB®/Python™

Beschreibung:

• Der ansteigende Anteil an Einspeisung durch umrichterbasierte Anlagen ändert die Dynamik des Energieversorgungssystems. Modelle mit unterschiedlichen Anforderungen werden zunächst für die Abbildung von Umrichterregelungen in Netzmodellen erstellt und untersucht. Diese Modelle dienen dann als Benchmark für Stabilitätsanalysen in Zeitbereich-Simulationen.

Inhalt:

• Einarbeitung in DIgSILENT®PowerFactory
• Einarbeitung in die verschiedenen Arten von Umrichterergelungen (netzgeführt, netzbildend, …)
• Einarbeitung in die Modellierung der Umrichter in PowerFactory
• Untersuchung derer Einflüsse in Zeitbereichssimulationen

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Wünschenswert sind umfassende Kenntnisse von elektrischen Energiesystemen und leistungselektronischen Komponenten
• Vorteilhaft sind Erfahrungen mit Simulationsprogrammen

Allgemeine Informationen:

Keywords: Photovoltaik, Niederspannungsnetz, Echtzeitsimulation, Power Hardware-in-the-Loop,  Spannungsregelung

Themenbeschreibung:

• Um die Klimaziele der Bundesregierung zu erreichen, wird ein umfangreicher Ausbau der Photovoltaik angestrebt. Gerade im ländlichen Bereich müssen Anschlussgesuche von Photovoltaikanlagen jedoch häufig durch den Netzbetreiber abgelehnt werden. Grund hierfür ist nicht die Stromtragfähigkeit der Netze, sondern eine Verletzung des Spannungsbandes.
• Niederspannungsregelsysteme sind eine ökonomische Lösung um einen weiteren Zubau der Photovoltaik zu ermöglichen ohne zusätzlichem Netzausbau.
• Das Mikronetz- und Energiespeicherlabor des Lehrstuhls für Elektrische Energiesysteme verfügt über ein Niederspannungsregelsystem welches mit realen Betriebsmitteln und einem Hardware-in-the-Loop Simulationssystem gekoppelt ist.

Ziele:

Aufbau von Testszenarien zur Untersuchung der Spannungshaltung im Verteilnetz durch PV-Anlagen und Lasten.

• • Eingangs sollte sich die Studentin/ der Student mit der Anlage vertraut machen.
  • Anschließend ist ein Echtzeitmodell eines Verteilnetzausschnitts mit regenerativer Einspeisung und Lasten aufzubauen.
  • Im Folgenden wird dieses über eine Power-Hardware-in-the-Loop Simulation mit der realen Hardware gekoppelt.
  • Im Anschluss daran können Szenarien untersucht werden und die Möglichkeit einer Höherauslastung der Verteilnetze mit dem Niederspannungsregelsystem bewertet werden.

Die Arbeit bietet einen praktischen Erfahrungsgewinn anhand innovativer Betriebsmittel der Energietechnik sowie Kenntnisse aus den Bereichen Echtzeit- und Hardware-in-the-Loop-Simulation. Des Weiteren bietet die Arbeit Einblicke in den Betrieb von Niederspannungsnetzen und der Integration regenerativer Energiesysteme.

Voraussetzungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Wünschenswert sind umfassende Kenntnisse von elektrischen Energiesystemen und leistungselektronischen Komponenten
• Vorteilhaft sind Erfahrungen mit Echtzeitsimulationsprogrammen (z.B. aus dem Praktikum Stromrichter in der Energieversorgung)

Allgemeine Informationen:

Keywords: EMT/RMS Simulations, Grid Forming Controller, Curve Fitting, PSCAD™, DIgSILENT®PowerFactory, MATLAB®/Python™

Description:

• Different grid-forming models are first studied and created in the EMT domain. Then, these models serve as benchmark for modeling the same controllers in the RMS domain. With the help of curve-fitting tools, the RMS models will be parameterized adequately. Finally, a modeling recommendation for future stability investigations will be formulated.

Scope:

• Getting Started with PSCAD™/DIgSILENT®PowerFactory
• Introduction to MATLAB®Simulink
• Review of grid forming inverter models
• Application of curve fitting tools for parameterization

Requirements:

• Independent, careful and structured way of working
• Knowledge of electrical power systems
• Basic concepts of programming
• Motivation to be part of an ongoing industrial project

Allgemeine Informationen:

Keywords: Small Signal Stability, Synchronous Machines, Grid Following/Forming Controller, MATLAB® Simulink

Description:

• Due to the ongoing energy transition and expanding renewable energy sources, the interaction between existing synchronous machines and inverter‐based resources is also increasing. This work investigates the Small Signal Stability behavior of synchronous machine models in parallel operation with inverter‐based resources. Here a distinction is made between grid forming and grid following inverter models.

Scope:

• Introduction to MATLAB® Simulink
• Review of high‐order synchronous machine models
• Review of grid forming/following inverter models
• Linearization and Small Signal Stability Analysis

Requirements:

• Independent, careful and structured way of working
• Knowledge of electrical power systems
• Basic concepts of programming
• Motivation to be part of an ongoing industrial project

Allgemeine Informationen:

Keywords: Optimal Power Flow, Interior Point Method, Nonlinear Programming, Transmission Systems, Python™/MATLAB®

Description:

• Based on time-series active power data, which provides operating points of generating units, the reactive power input is to be adjusted. Overloads are to be avoided, and the voltage level at all nodes of transmission systems is to be respected. Due to the nonlinear Optimal Power Flow (OPF) problem, the Interior-Point Method (IPM) is developed and applied in this work.

Scope:

• Getting started with DIgSILENT®PowerFactory
• Introduction to Python™/MATLAB®
• Review of Interior-point Methods for nonlinear programming
• Developing a framework for solving Optimal Power Flow
• Applying the methodology within a transmission system

Requirements:

• Independent, careful and structured way of working
• Knowledge of electrical power systems
• Basic concepts of programming
• Motivation to be part of the Kopernikus-ENSURE research project

Allgemeine Informationen:

Keywords: Static Security Assessment, Transmission Systems, Machine Learning, DIgSILENT®PowerFactory, Python™/MATLAB^®

Description:

• In this work, numerical techniques and machine learning-based methods are reviewed and applied for Static Security Assessment (SSA). Time series-based input data are evaluated by applying stability indices to identify and classify critical network use cases. In addition, intelligent methods are investigated to identify critical scenarios based on the input data to reduce computational effort.

Scope:

• Getting started with DIgSILENT®PowerFactory
• Introduction to Python™/MATLAB^®
• Review of numerical techniques and machine learning-based methods for SSA
• Developing a framework for Static Security Assessment
• Identification and classification of critical scenarios

Requirements:

• Independent, careful and structured way of working
• Knowledge of electrical power systems
• Basic concepts of programming
• Motivation to be part of the Kopernikus-ENSURE research project

Allgemeine Informationen:

Keywords: Echtzeitsimulation, Power Hardware-in-the-Loop, Stabilität, Umrichterverhalten am Netz

Themenbeschreibung:

• Power Hardware-in-the-Loop (PHiL) Simulationen ermöglichen es echte Leistungshardware mit simulierten Netzen zu koppeln. Dies erlaubt es die Hardware außerhalb des tatsächlichen Energieversorgungssystem zu testen, sowie umgekehrt echtes Anlagenverhalten in simulierte Netze zu integrieren.
• Bei letzterem kann die Wahl des Netzanschlusspunktes des PHiL-Interfaces in der Simulation vor allem bei der Betrachtung dynamischer Netzsituationen einen großen Einfluss auf die Stabilität der Kopplung von Hardware und Simulation haben.
• Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss des Netzanschlusspunktes auf die Stabilität einer PHiL-Kopplung hinsichtlich verschiedener dynamischer Phänomene in elektrischen Netzen (z.B. Kurzschlüsse, Kraftwerksausfälle, Lastsprünge etc.) zu quantifizieren und geeignete stabilitätssichernde Maßnahmen herauszuarbeiten.

Ziele:

• Einarbeitung in das zu verwendende Netzberechnungsprogramm
• Literaturrecherche zur Stabilität von PHiL-Simulationen
• Erarbeitung zu untersuchender Szenarien und sinnvoller Netzanschlusspunkte für das 39-Bus Testsystem
• Durchführen der Szenarien als PHiL-Simulationen mit dem SrPP als Hardware
• Ableiten stabilitätssichernder Maßnahmen für den Szenarien, in denen die PHiL-Kopplung nicht stabil läuft

Voraussetzungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Wünschenswert sind umfassende Kenntnisse von elektrischen Energiesystemen und leistungselektronischen Komponenten
• Vorteilhaft sind Erfahrungen mit Echtzeitsimulationsprogrammen (z.B. aus dem Praktikum Stromrichter in der Energieversorgung)

Hintergrund:

Erdschlüsse (einpolige Fehler) gehören zu den häufigsten Fehlern im elektrischen Netz
überhaupt. Gleichzeitig sind insbesondere hochohmige Fehler in kompensierten Netzen eine
immernoch ungelöste Herausforderung für die Schutztechnik. Dadurch, dass der
Kurzschlussstrom kompensiert wird und so sehr gering ist, sind die Fehler extrem schwer zu
erkennen, bzw. von Betriebszuständen zu unterscheiden. Gleichzeitig führen lang andauernde
Erdschlüsse zu Waldbränden und so auch zu enormen Schäden.

Aufgabenstellung:
Neuronale Netze sind extrem performant in den Bereichen Mustererkennung und Klassifikation. Aus
diesem Grund sind sie ein exzellenter Kandidat zur Fehlererkennung. Der Nachteil an Neuronalen Netzen
ist die schwere Interpretierbarkeit. Hierbei können sogenannte „Decision Trees“ die ebenfalls ein
Untergebiet des Maschinellen Lernens sind hilfreich sein. In der Masterarbeit sollen beide
Verfahren verglichen werden um zu untersuchen ob das „Jahrhundertproblem“
Erdschlusserkennung hierdurch gelöst werden kann.

Allgemeine Informationen:

Keywords: MT-HGÜ, Stabilität, Leistungsflusssteuerung, Einflussradius, (n-1)-Kriterium, kuratve Betriebsführung

Themenbeschreibung:

• Die gegenwärtige Systemführung sieht Eingriffe in die Erzeugungsleistung von Kraftwerken (Redispatch)  als Gegenmaßnahme für Netzengpässe und Spannungsbandverletzumgen vor. Diese Eingriffe sind mit erheblichen Kosten verbunden und erfordern zudem die vorenthaltung von Reserven im elektrischen Energieversorgungsnetz (Redundanz).  Dem gegenüber stehen sogannente kurative Maßnahmen, die ohne Eingriffe in die Erzeugungsleistung von Kraftwerken gezielt Einfluss auf den Leistungsfluss nehmen können. Diese zukünftige Systemführungskonzepte erfordern den koordinierten Einsatz von inteligenten Aktoren (HGÜ, FACTS) um den sicheren Systembetrieb zu gewährleisten.
• Zur gezielten Einflussnahme gibt es gängige (offline) Methoden wie den Security Constrained Optimal Power Flow. Diese Methoden sind mit einer Vielzahl sequentieller oder paralleler Simulationen verbunden und erfordern meist detailierte Kenntnisse über die Netztopologie.  Mit Hilfe von geeigneten Messdaten, State Estimation, Modellen und Verfahren lassen sich die optimalen Arbeitspunkte zur Leistungsflusssteuerung jedoch auch im laufenden Betrieb bestimmen.
• Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung einer Sensitivitätsanalyse um den Einflussradius von Multi-Terminal HGÜ (MT-HGÜ) Systemen zu bestimmen. Eine anschließende Modellbildung des auf den Einflussradius reduzierten Netzes soll die Grundlage für die Implementierung einer online Optimierung für die Bestimmung von entlastenden Arbeitspunkten der MT-HGÜ darstellten.

Ziele:

• Einarbeitung in das zu verwendene Netzberechnumgsprogramm und Python
• Erarbeitung einer Methodik und Modellbildung einer Sensitivitätsanalyse auf Leistungsflussänderungen vermaschter Netze
• Validierung der Methodik anhand geeigneter Simulationen
• Implementierung eines Algorithmus zur online Optimierung der MT-HGÜ Arbeitspunkte unter Einbezug des Leistungsglussmodells
• Optional: Gegenüberstellung mit gängigen Methoden (SCOPF)

Voraussetzungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Wünschenswert sind umfassende Kenntnisse von elektrischen Energiesystemen und Leistungselektronischen Komponeneten (HGÜ, FACTS)
• Vorteilhaft sind Erfahrungen in Python und Netzberechnumgsprogrammen