Studentische Arbeiten

Allgemeine Informationen:

Keywords: Autarke elektrische Energieversorgung, Baustellen, Erneuerbare Energien, Energiespeicherung

Beschreibung:

Temporäre Baustellen werden derzeit überwiegend durch Dieselgeneratoren mit elektrischer Energie versorgt. Diese Form der Energieversorgung geht mit erheblichen CO₂-Emissionen, hoher Lärmbelastung sowie steigenden Betriebskosten einher. Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung und Bewertung nachhaltiger, zuverlässiger und autarker Energieversorgungskonzepte für temporäre Baustellen. Im Fokus stehen Erneuerbare Energien (Solar-, Windenergie), elektrochemische Speicher (Batterien, Brennstoffzellen) und die flexible Integration der Verbraucher wie Baustellenfahrzeuge und -geräte.

Die zu entwickelnden Konzepte sollen modular, skalierbar und flexibel an verschiedene Einsatzszenarien angepasst werden können. Ihre Bewertung erfolgt auf Basis technischer, ökologischer und wirtschaftlicher Kriterien unter Anwendung simulationsgestützter Analysen.

Inhalt:

• Einarbeitung in bestehende Ansätze zur autarken elektrischen Energieversorgung temporärer Use Cases
• Anforderungsanalyse temporärer Baustellen durch Verbrauchsprofile einzelner Komponenten, Mobilitätsansprüche, Baustellengrößen und Betriebsbedingungen
• Entwicklung mehrerer innovativer Energieversorgungskonzepte unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeit, Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Realisierbarkeit
• Simulation und detaillierte technische Bewertung ausgewählter Konzepte mittels geeigneter Software
• Kritische Diskussion und Bewertung der Ergebnisse

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Starkes Interesse an nachhaltigen und innovativen Energiesystemen
• Erfahrung oder Bereitschaft, sich in Simulationssoftware einzuarbeiten

Allgemeine Informationen:

• Zeitraum: ab sofort
• Autor: offen

Betreuer:

Keywords: Netzfolgende Umrichter, Schutztechnik, Distanzschutz

Hintergrund:

Der Anteil von Erneuerbaren Energien nimmt massiv zu. Der Großteil der Anlagen ist über Umrichter an das elektrische Netz angeschlossen. Das Verhalten dieser Umrichter unterscheidet sich grundsätzlich von dem klassischer Synchrongeneratoren. Auch in dem Fall eines Kurschlusses ist dies der Fall. Schutztechnik ist auf das Verhalten klassischer Einspeiser ausgelegt. Deshalb kann es in Gegenwart von stromrichterbasierter Anlagen zu Messfehlern von Schutzfunktionen kommen.

Herausforderung:

Das Schutzverhalten ist bei einpoligen Fehlern vor allem von zwei Dingen abhängig. Einerseits der Umrichterregelung im Mit- und Gegensystem und andererseits von der Erdung des elektrischen Netzes. Ein bestehendes Modell umfasst eine netzfolgende Umrichterregelung, sowie eine Leitung mit externem Netz. Dies soll im Zuge der Arbeit für die Untersuchung von einpoligen Fehlern erweitert werden. Anschließend sollen für unterschiedliche Sternpunktbehandlungen einpolige Fehler simuliert und das Verhalten des Distanzschutzes untersucht werden. Eine umfassende Erklärung des Verhaltens in Symmetrischen Komponenten schließt die Arbeit ab.

Arbeitsinhalte:

• Einarbeitung in netzfolgende Stromrichterregelung und Distanzschutz
• Erweiterung des bestehenden Modells in MATLAB Simulink
• Simulation von einpoligen Fehlern und Auswertung des Schutzverhaltens
• Vollumfängliche Erklärung des Verhaltens

Voraussetzungen:

• Strukturierte und eigenständige Arbeitsweise
• Motivation für Elektrische Energietechnik
• Grundlagen der elektrischen Energieversorgung (GEEV), Planung elektrischer Energieversorgungsnetze (PEEV)
• Schutz- und Leittechnik (SLT) von Vorteil

Allgemeine Informationen:

• Zeitraum: ab sofort
• Autor: offen
• AusschreibungPDF

Betreuer:

Keywords: LLMs, Schutztechnik

Themenbeschreibung:

Die Konfiguration von Schutzrelais in elektrischen Netzen ist eine komplexe und zeitaufwendige Aufgabe, die umfangreiches Fachwissen und Erfahrung erfordert. In jüngster Zeit haben Large Language Models (LLMs) erhebliche Fortschritte gemacht und zeigen Potenzial, auch in spezialisierten technischen Bereichen eingesetzt zu werden. Diese Masterarbeit untersucht, inwieweit LLMs zur Automatisierung und Unterstützung der Konfiguration von Schutzrelais verwendet werden können. Die Arbeit wird in Kooperation mit einer Expert-Consulting Abteilung der Siemens AG durchgeführt.

Allgemeine Informationen:

• Zeitraum: ab sofort
• Autor: offen
• Aushang PDF

Betreuer:

Keywords: Power-Hardware-in-the-Loop (PHiL), Umrichtermodellierung, Spitzenberger & Spies, Echtzeitsimulation

Themenbeschreibung:

Durch die zunehmende Einbindung von erneuerbaren Energiequellen mithilfe von mehrstufigen Umrichtern in das Stromnetz steigen die Herausforderungen im Bereich der Umrichterkoordination in Bezug auf deren Stabilitätsverhalten. Neben stationären Oberschwingungen im Netz müssen deshalb die aus der Interaktion von Umrichtersteuerung und Netzresonanz resultierenden Harmonischen in Stabilitätsbetrachtungen mit einbezogen werden. Um hierbei erzielte Ergebnisse aus Offline-Simulationen zu validieren, ist es notwendig, funktionierende Modelle in echtzeitfähige Simulationsprogramme zu überführen. Bleibt man auf der standardmäßigen Modellebene, unterliegt man programmabhängigen Zeitschrittlimitationen. Durch die Einführung von Subzyklen für einzelne Modellbestandteile können diese Zeitschritte verkleinert werden, wodurch die Simulation in Frequenzbereichen von mehreren kHz detaillierter wird. RTDS bietet die Möglichkeit, GTFPGA-Einheiten einzubinden, auf denen Schalter oder Submodule nachgebildet werden können. Diese Möglichkeit der Umrichtermodellierung in Echtzeit soll im Rahmen der Masterarbeit genutzt werden.

Inhalt:

Nachdem grundlegende Kenntnisse zur Echtzeitsimulation und Umrichtermodellierung erworben wurden, soll ein detailliertes Umrichtermodell bis auf Schalterebene unter Einbeziehung parasitärer Elemente in RSCAD aufgebaut werden. Dabei sollen die Grenzen des möglichen Modelldetailgrads ausgelotet werden. Das Modell wird abschließend so aufbereitet und skaliert, dass es mittels Lichtwellenleiter als PHiL-Modell über die vorhandenen Linearverstärker eingesetzt werden kann.

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Vorteilhaft sind bereits vorhandene Kenntnisse zu Linerverstärkern
• Außerdem nützlich sind Kenntnisse mit Netzsimulationsprogrammen (PSS®SINCAL/NETOMAC, DIgSILENT®PowerFactory, MATLAB®/Simulink, RSCAD)

Allgemeine Informationen:

• Zeitraum: ab sofort
• Autor: offen
• Aushang PDF

Betreuer:

Keywords: Umrichtermodellierung, Echtzeitsimulation, Simulink, RSCAD

Themenbeschreibung:

Durch die zunehmende Einbindung von erneuerbaren Energiequellen mithilfe von mehrstufigen Umrichtern in das Stromnetz steigen die Herausforderungen im Bereich der Umrichterkoordination in Bezug auf deren Stabilitätsverhalten. Neben stationären Oberschwingungen im Netz müssen deshalb die aus der Interaktion von Umrichtersteuerung und Netzresonanz resultierenden Harmonischen in Stabilitätsbetrachtungen mit einbezogen werden. Die Modelltiefe ist dabei entscheidend für die Aussagekraft der damit erzielten Ergebnisse. So unterscheidet sich ein Modell auf Schalterebene Grundlegend von einem einfacheren Modell aus gesteuerten Spannungsquellen. Um erzielte Ergebnisse aus Offline-Simulationen zu validieren, ist es notwendig, funktionierende Modelle im weiteren Verlauf in echtzeitfähige Simulationsprogramme zu überführen, um sie für den Einsatz in PHiL- oder CHiL- Simulationen verfügbar zu machen.

Inhalt:

Nachdem grundlegende Kenntnisse zur Echtzeitsimulation und Umrichtermodellierung erworben wurden, soll ein detailliertes Niederspannungs- und Mittelspannungs- Umrichtermodell bis auf Schalterebene in Simulink aufgebaut werden. Um die Ergebnisse der hierbei durchgeführten Simulationen auch für HiL-Versuche zugänglich zu machen. Wird das Modell im weiteren Verlauf der Arbeit in RSCAD überführt. Abschließend sollen die Ergebnisse der identischen Modelle in den beiden unterschiedlichen Simulationsprogrammen miteinander verglichen werden.

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Vorteilhaft sind bereits vorhandene Kenntnisse zu Linerverstärkern
• Außerdem nützlich sind Kenntnisse mit Netzsimulationsprogrammen (PSS®SINCAL/NETOMAC, DIgSILENT®PowerFactory, MATLAB®/Simulink, RSCAD)

Allgemeine Informationen:

Keywords: Signalanalyse, Stabilitätsbewertung, Umrichterdominierte Netze

Themenbeschreibung:

Die Netzstabilität umfasst die Eigenschaft eines elektrischen Systems nach auftretenden Fehlern in einen stabilen Zustand zurückzukehren. Da mit der zunehmenden Integration von umrichterbasierten Betriebselementen das dynamische Verhalten des Netzes zunehmend von den schnellen Umrichterregelungen und deren Interaktionen mit dem Netz abhängt, werden neue Methoden benötigt um sowohl schnelle als auch langsame Oszillationen im Netz identifizieren und bewertet zu können. Auf Basis einer dynamischen Simulation (RMS und EMT) sollen Simulationsergebnisse anhand mathematischer Berechnungsmethoden, wie FFT (fast fourier transform), Prony Analyse und Matrix-Pencil Verfahren, auf das Dämpfungsverhalten von auftretenden Oszillationen automatisiert untersucht werden. Anhand der Ergebnisse soll eine automatisierte Bewertung für Schwingungen im elektrischen Netz möglich sein. Die Berechnungsmethoden sollen sowohl für  synchronmaschinen- als auch umrichterdominierte Netze angewendet werden. Außerdem soll ein Vergleich zwischen den verwendeten Methoden in Hinsicht auf Performance, Robustheit und Einfachheit aufgestellt werden.

Inhalt:

• Einarbeiten in Methoden zur Signalanalyse
• Implementierung der ausgewählten Methoden und Anwendung auf unterschiedliche Netzkonfigurationen
• Vergleich der verwendeten Methoden hinsichtlich Performance, Robustheit und Einfachheit

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Vorteilhaft sind bereits vorhandene Kenntnisse im Bereich der Umrichterregelung und -modellierung
• Vorteilhaft sind bereits vorhandende Kenntnisse in der Simulation elektrischer Netze
• Außerdem nützlich sind Kenntnisse mit Netzsimulationsprogrammen (PSS®SINCAL/NETOMAC, DIgSILENT®PowerFactory, MATLAB®/Simulink, RSCAD)

Allgemeine Informationen:

Keywords:  Bifurcation Analysis, Voltage Stability, Nonlinear Dynamics, Eigenvalues, Stability Margins

Description:

• In the evolving landscape of power system dynamics, ensuring voltage stability is paramount. This research explores the profound application of bifurcation analysis in determining the voltage stability of power systems.
• By dissecting nonlinear system behaviors, bifurcation analysis helps pinpoint critical operating scenarios where system behaviors change, thereby providing valuable insights into voltage stability margins.
• This deep dive into the power system’s nonlinear dynamics offers a comprehensive perspective on how varying parameters impact voltage stability, paving the way for enhanced grid reliability and resilience.

Scope:

• Getting started with MATLAB/Simulink or Python
• Introduction to voltage stability challenges
• Simulation-based validation of bifurcation analysis

Requirements:

• Independent, careful and structured way of working
• Knowledge of electrical power systems

Allgemeine Informationen:

Keywords: PV-Umrichter, Grundschwingungsmodell, Modulationsverfahren, Umrichterbasierte Energieversorgung

Themenbeschreibung:

• Durch die zunehmende Einbindung von erneuerbaren Energiequellen mithilfe von mehrstufigen Umrichtern in das Stromnetz steigen die Herausforderungen im Bereich der Umrichterkoordination in Bezug auf deren Stabilitätsverhalten
• Neben stationären Oberschwingungen im Netz müssen deshalb die aus der Interaktion von Umrichtersteuerung und Netzresonanz resultierenden Harmonischen in Stabilitätsbetrachtungen mit einbezogen werden
• Ziel der Arbeit ist deshalb einen PV-Umrichter in einem Mittelspannungs-Testnetz, um ein PWM-basiertes Modulationsverfahren zu ergänzen und die durch dieses hervorgerufenen Interaktionen zwischen Umrichterinteraktionen zu untersuchen und zu bewerten

Inhalt:

• Aneignung Grundliegender Kenntnisse zu Modulationsverfahren
• Programmierung einer flexibel parametrierbaren Sinus-Dreieck-PWM und einpflegen des Modulators in den PV-Umrichter eines Grundschwingungsmodells
• Umsetzung einer bewussten Resonanzregelung mithilfe des Modulators
• Durchführung eines Impedanzscans am resultierenden Modell

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Für den Einstieg in das Thema sind Kenntnisse über leistungselektronische Komponenten in Drehstromsystemen (HGÜ, FACTS), Regelungstechnik und Systemtheorie hilfreich
• Wünschenswert sind bereits vorhandene Kenntnisse im Bereich der Hochleistungsstromrichter
• Vorteilhaft sind Kenntnisse mit Netzsimulationsprogrammen (MATLAB®/Simulink, PSS®NETOMAC)

Allgemeine Informationen:

Keywords:  Wind Energy Systems, Fully-Rated Converter Wind Turbines (FRC-WT), Transient Stability, Power System Dynamics and Control

Description:

• This research focuses on creating a model for Fully Rated Converter Wind Turbines, emphasizing their transient stability in wind energy systems.
• With the integration of this model, an in-depth simulation will be designed. This model’s practical application will be affirmed by incorporating it into a stability simulation program.
• Test scenarios will involve a fundamental electrical grid, a representative turbine, and diverse operational setups to highlight the dynamic behavior, providing valuable insights into the model’s effects on real-world wind energy systems.

Scope:

• Getting started with MATLAB/Simulink, PowerFactory or PSCAD
• Introduction to FRC-WT
• Establishment of an algebraic framework and solution methods
• Integration of the DFIG model into a test system

Requirements:

• Independent, careful and structured way of working
• Knowledge of electrical power systems

Allgemeine Informationen:

Keywords:  Wind Energy Systems, DFIG, Transient Stability, Power System Dynamics and Control

Description:

• This research delves into developing a model for the Doubly Fed Induction Generator (DFIG), specifically for transient stability studies in wind energy systems.
• Integrating this model, a detailed wind turbine simulation will be established. Embedding this model into a stability simulation program will validate its practical application.
• Test scenarios will encompass an essential electrical grid, a representative windmill, and varied operations to demonstrate the dynamic behavior, offering insights into the model’s implications for real-world wind energy systems.

Scope:

• Getting started with MATLAB/Simulink, PowerFactory or PSCAD
• Introduction to the Doubly Fed Induction Generator (DFIG)
• Establishment of an algebraic framework and solution methods for the DFIG model
• Integration of the DFIG model into a test system

Requirements:

• Independent, careful and structured way of working
• Knowledge of electrical power systems

Allgemeine Informationen:

Keywords:  Asynchronous Machines, Voltage Stability, Reactive Power

Description:

• Asynchronous machines (ASM), commonly known as induction machines, are pivotal components in many power system setups, providing versatility and efficiency.
• This thesis focuses on the detailed modeling of an asynchronous machine, capturing its inherent characteristics and behavior under various operating conditions.
• The primary aim is to comprehend deeply how this machine interacts with power systems, especially in the context of voltage stability.
• Through rigorous simulations and analysis, the study addresses voltage stability issues.

Scope:

• Getting started with MATLAB/Simulink and PowerFactory
• Introduction to ASM modelling
• Analysis and simulation to demonstrate the impact of ASM on voltage stability

Requirements:

• Independent, careful and structured way of working
• Knowledge of electrical power systems

Allgemeine Informationen:

Keywords:  Stabilität umrichterdominierter Netze, Kleinsignalanalyse, Tooling, MATLAB

Hintergrund:

Kleinsignalanalysen ermöglichen eine systematische Untersuchung der Systemdynamik und damit eine ursachenorientierte Bewertung der Stabilität. Gängige Tools erfassen elektromagnetische Dynamiken jedoch lediglich über die komplexe Wechselstromrechnung und beschränken sich damit auf die Analyse niederfrequenter Phänomene. In zunehmend umrichterdominierten Netzstrukturen werden jedoch auch höherfrequente Dynamiken angeregt, wodurch diese Vereinfachung nicht mehr uneingeschränkt anwendbar ist. Kommerzielle Softwarelösungen für eine derart detaillierte dynamische Analyse stehen derzeit nicht zur Verfügung. Am Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme wurde jedoch im Rahmen einer Dissertation ein entsprechendes Tool entwickelt.

Herausforderung:

Das Tool basiert auf MATLAB-Code, der mit einer veralteten Version erstellt wurde und daher überarbeitet werden muss. Ziel ist es, die enthaltenen Benchmark-Modelle wieder lauffähig zu machen und die in einer Publikation dargestellten Ergebnisse zu den Interaktionen zwischen netzbildenden und netzfolgenden Umrichtern sowie Synchronmaschinen zu reproduzieren.

Arbeitsinhalte

• Einarbeiten in MATLAB/Simulink und das Thema Modalanalyse
• Analysieren und Kommentieren des Codes
• Wiederherstellung der Lauffähigkeit der Benchmark-Modelle
• Aufbau des Testsystems und Interaktionsanalyse

Voraussetzungen

• Fähigkeit sich selbstständig in ein Thema einzuarbeiten und intrinsische Motivation
• Kenntnisse über Dynamik des Elektrischen Energieversorgungsnetzes
• Grundlagen im Programmieren mit MATLAB

Allgemeine Informationen:

Keywords:  Stabilität umrichterdominierter Netze, Hybridkraftwerk

Hintergrund:

Beim Betrieb mehrerer dezentraler Anlagen in einer hauseigenen Netzstruktur bietet es sich an, diese über eine zentrale Regelung am Netzanschlusspunkt zu koordinieren, um die geforderte Netzkonformität nur einmal nachweisen zu müssen. Diese Regelung kann entweder als überlagerter Sekundärregler oder direkt als zentraler Primärregler implementiert werden. In den aktuellen Anschlussrichtlinien ist netzbildendes Verhalten zwar noch nicht vorgesehen, es ist jedoch für die Systemstabilität essenziell und wird zunehmend von Netzbetreibern in den Vordergrund gerückt. Der Parkregler kann hierbei dazu beitragen, dieses Verhalten koordiniert am Anschlusspunkt bereitzustellen.

Herausforderung:

Um die Vorteile eines koordinierten netzbildenden Verhaltens am Anschlusspunkt herauszuarbeiten, soll das dynamische Verhalten einer klassischen Parkregelung mit dem Ansatz eines zentralen Primärreglers verglichen werden.

Arbeitsinhalte

• Einarbeiten PowerFactory
• Einarbeiten in Parkregelung und netzbildende Regelung
• Adaptieren des PowerFactory Testnetzes „MV Microgrid“
• Implementieren eines klassischen Parkreglers und eines zentralen Ansatzes
• Vergleich der Regelungen anhand geeigneter Simulationsszenarien

Voraussetzungen

• Fähigkeit sich selbstständig in ein Thema einzuarbeiten
• Intrinsische Motivation
• Kenntnisse über Modellierung und Dynamik des Elektrischen Energieversorgungsnetzes