Studentische Arbeiten

Allgemeine Informationen:

Keywords: Partial discharge measurement, FPGA, High voltage test, RedPitaya

Description:

One of the challenges in high‐voltage (HV) engineering is the identification and quantification of partial discharges (PD). PDs are small electrical discharges occurring within insulating materials, indicating potential insulation degradation. PD measurement technology is an indispensable testing method to assess and ensure the quality of HV insulations. Although commercial test equipment is widely available, the aim of the thesis proposal at hand is to design a PD test system from scratch using the Redpitaya FPGA‐SoC platform. The ultimate goal is to obtain an easily extendable, freely programmable, PD measuring system.

Scope:

• Getting started with PD measurement and the pitfalls of high frequency, low current measurements in HV environments.
• Understanding of PD measurement systems and the various methods of charge estimation.
• Design and implement the PD measurement software on the RedPitaya STEMlab 125‐14, which is already available at the Institute, using the quasi‐peak detection method.
• Design and test calibration procedures, data flows and a GUI.

The scope of the thesis can be adjusted according to the type of the thesis (bachelor/master)

Requirements:

• Independent, structured way of working.
• Solid programming abilities in Xilinx Vivado 2020.1 and C# or the willingness, stamina, and engineering skills to obtain these.

Allgemeine Informationen:

Keywords:  Mittel‐, Hochspannung, Kabelprüfung

Themenbeschreibung:

• Nach Norm DIN EN IEC 60230 (VDE 0481‐230) müssen Mittel‐ und Hochspannungskabel sowie deren Garnituren auch mit Stoßspannung bei Betriebstemperatur geprüft werden. Zum instellen der Betriebstemperatur wird das Kabel während der gesamten Hochspannungsprüfung parallel mit Betriebsstrom aus einem Hochstromtransformator gespeist. Dazu müssen die beiden Kreise Hochspannung/Hochstrom galvanisch getrennt und induktiv gekoppelt werden.
• Es ist ein Koppeltransformator zu dimensionieren, welcher die Impedanz und vor allem die hohe Schleifeninduktivität des Kabels als Prüfobjekt mit einem Strom bis 2 kA speisen kann. Der Prüfaufbau wird im Hochspannungs‐ /Hochstromlabor des Lehrstuhls in Betrieb genommen.

Voraussetzungen::

• Vorlesung Hochspannungstechnik, Elektromagnetische Felder
• Vorteilhaft sind Erfahrungen in der Programmierung (v.a. Matlab)
• Handwerkliche Tätigkeit
• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise

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:  MVDC-Netze, RMS, PowerFactory, Umrichterregelung

Themenbeschreibung:

• Im Rahmen des Kopernikus ENSURE Projekts wurde ein Ausschnitt im Norden Deutschlands definiert, in dem durch den massiven Zubau von v.a. Windparks einige technische Herausforderungen für das gesamte Energieversorgungsnetz zu erwarten sind.
• Kollektornetze wie beispielsweise Mittelspannungs-Gleichspannungsnetze (MVDC) integrieren RES und Speichersysteme aggregiert an einem Netzverknüpfungspunkt. Dies bietet den Anlagenbetreibern die Möglichkeit diverse Systemdienstleistungen wie netzbildende Regelungen an der Kopfstation anzubieten.
• Ziel dieser Arbeit ist es ein solches MVDC-System in den entsprechend modellierten Ausschnitt des deutschen Übertragungsnetzes zu integrieren. Zusätzlich sollen die in diesem System benötigten Umrichter mit entsprechenden Regelungen ausgestattet werden und regenerative Erzeugungsanlagen entsprechend den deutschen Ausbauzielen in das MVDC Netz integriert werden.

Ziele:

• Einarbeitung in PowerFactory und Regelung von Umrichtern
• Literaturrecherche zur Modellierung von Gleichspannungsnetzen in RMS Simulationen
• Implementierung der entsprechenden Umrichterregelungen (netzbildend, netzfolgend, DC/DC)
• Modellierung regenerativer Erzeugungsanlagen entsprechend den deutschen Ausbauzielen in das MVDC-System

Voraussetzungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Grundkenntnisse Leistungselektronischer Betriebsmittel (PEL/HSTR)
• Wünschenswert sind Kenntnisse von elektrischen Energiesystemen (z.B. PEEV und BVE)
• Vorteilhaft sind Erfahrungen mit Simulationsprogrammen (v.a. PowerFactory)

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, Synchronmaschinen, Echtzeitsimulation, dynamisches Verhalten

Themenbeschreibung:

• EMT-basierte Simulationen wie die Echtzeitsimulation rampen zu Beginn der Simulation von null ausgehend auf die eingestellten Arbeitspunkte oder verwenden initiale Werte aus einer Lastflussberechnung. Dies erfordert entweder stabile Regler für den Einschwingvorgang oder eine exakt abgestimmte Lastflussberechnung aus beispielsweise einem RMS Modell des zu betrachteten Netzes.
• Da die maximale Netzgröße bei Echtzeitsimulationen begrenzt ist und meist nur Ausschnitte von Netzgebieten für EMT Simulationen relevant sind, werden sog. Study Areas definiert, die von einem Randnetz umgeben sind. Damit dieses Randnetz das dynamische Verhalten (Trägheit, Verhalten im Kurzschlussfall) des gesamten Netzes abbilden kann, wird an jedem Randnetzknoten eine Synchronmaschine mit Innenimpedanz modelliert.
• Ziel dieser Arbeit ist es das Randnetz eines vorgegebenen Netzmodells zu initialisieren. Hierzu sollen initiale Arbeitspunkte mittels Lastflussberechnung ermittelt werden und die Maschinenregler für die Einschwingphase ausgelegt werden. Anschließend die Initialisierung für verschiedene Szenarien (z.B. abnehmende Trägheit) getestet werden.

Ziele:

• Einarbeitung in die zu verwendenden Simulationsprogramme (PowerFactory und RSCAD)
• Literaturrecherche zur Initialisierung von elektr. Betriebsmitteln in EMT-Simulationen
• Entwicklung eines  allgemeinen Startup-Prozesses für das modellierte Netzgebiet
• Anwendung der Methodik auf verschiedene Netzszenarien

Voraussetzungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Grundkenntnisse von elektrischen Energiesystemen
• Wünschenswert sind Kenntnisse zum Aufbau und Verhalten elektr. Betriebsmittel (v.a. BKE und BVE)
• Vorteilhaft sind Erfahrungen mit Simulationsprogrammen (v.a. PowerFactory und RSCAD)

Allgemeine Informationen:

Keywords:  Stabilität, harmonische Analyse, Resonanzen, frequenzabhängige Netzimpedanz

Themenbeschreibung:

• Die Interaktionen zwischen elektrischen Betriebsmitteln finden nicht nur bei der Grundfrequenz von 50 Hz statt. Dies kann zu Stabilitätsproblemen in der Energieversorgung führen.
• Um diese Interaktionen zu identifizieren können verschiedene Methodiken (z.B. weißes Rauschen, Frequenzganganalyse) angewendet werden, um beispielsweise kritische Frequenzen oder Arbeitspunkte erkennen zu können.
• Ziel dieser Arbeit ist es eine ausgewählte Methodik zur harmonischen Analyse von Betriebsmitteln mithilfe einfacher, passiver Bauelemente zu erarbeiten und  anschließend auf verschiedene Betriebsmittel anzuwenden. Anschließend sollen die Methodik bezüglich der Aussagekraft und Anwendbarkeit bewertet werden.

Ziele:

• Einarbeitung in die zu verwendenden Simulationsprogramme (vorwiegend Matlab/Simulink)
• Literaturrecherche zu Methoden der harmonischen Analyse von elektr. Betriebsmitteln
• Entwicklung einer Methodik in Matlab/Simulink anhand einfacher passiver Bauelemente
• Anwendung der Methodik auf verschiedene passive Betriebsmittel
• Bewertung der Methodik hinsichtlich Rechenaufwand und Übertragbarkeit

Voraussetzungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Grundkenntnisse von elektrischen Energiesystemen
• Wünschenswert sind umfassende Kenntnisse zum Verhalten elektr. Betriebsmittel (v.a. BKE)
• Vorteilhaft sind Erfahrungen mit Simulationsprogrammen (v.a. Matlab/Simulink)

Allgemeine Informationen:

Keywords: Stromrichter, VSC, Fehlerortung, MATLAB/SIMULINK

Beschreibung:

Im Zuge der Energiewende wandelt sich die Stromerzeugung. Die konventionellen, mit Kohle oder Gas betriebenen, Synchronmaschinen werden immer mehr durch Erneuerbare Energien ersetzt, die durch Stromrichter an das elektrische Netz angeschlossen sind. Dabei sind zukünftig vor allem VSC (Voltage Source Converter) von großer Bedeutung. Wird normalerweise durch VSC nur das Mit- und Gegensystem geregelt, bieten neue Konzepte auch die Möglichkeit das Nullsystem des elektrischen Netzes zu beeinflussen. Dies ist vor allem im Falle eines Erdschlusses von großer Bedeutung. Im klassischen Fall wird das Nullsystem häufig durch eine Kompensationsspule beeinflusst. Diese kompensiert den kapazitiven Erdschlussstrom. Durch ohmsche Verluste bleibt jedoch immer ein Wattreststrom. Dieser kann durch eine Nullsystemregelung eines VSC kompensiert werden. Im Zuge der Arbeit soll eine Nullsystemregelung eines VSC entworfen werden. Diese soll im Fehlerfall den Wattreststrom, der durch die ohmschen Verluste der Kompensationsspule auftritt, kompensieren. Die Regelung soll anschließend an Simulationen verifiziert werden.

Inhalt:

• Einarbeitung in MATLAB/Simulink
• Einarbeitung in Stromrichterregelungen
• Erstellen einer Nullsystemregelung zur Fehlerstromkompensation in Kombination mit einer Petersenspule

Anforderungen:

• Motivation und strukturierte Arbeitsweise
• Grundlagen elektrische Energieversorgung (z.B. GEEV, BKE, BVE)
• Grundlagen der Regelungstechnik von Vorteil
• Kenntnisse in MATLAB/Simulink von Vorteil

Allgemeine Informationen:

Keywords: Stromrichter, VSC, Fehlerortung, MATLAB/SIMULINK

Beschreibung:

Im Zuge der Energiewende wandelt sich die Stromerzeugung. Die konventionellen, mit Kohle oder Gas betriebenen, Synchronmaschinen werden immer mehr durch Erneuerbare Energien ersetzt, die durch Stromrichter an das elektrische Netz angeschlossen sind. Dabei sind zukünftig vor allem VSC (Voltage Source Converter) von großer Bedeutung. Wird normalerweise durch VSC nur das Mit- und Gegensystem geregelt, bieten neue Konzepte auch die Möglichkeit das Nullsystem des elektrischen Netzes zu beeinflussen. Dies ist vor allem im Falle eines Erdschlusses von großer Bedeutung. Im klassischen Fall wird das Nullsystem durch die Sternpunktbehandlung am Transformator geregelt. Im Fehlerfall gibt es Möglichkeiten mit Hilfe der klassischen Regelung den Erdschluss zu orten und ihn damit möglichst schnell zu beheben. Durch die neuartige Nullsystemregelung eines VSC kann dieser die Aufgabe zukünftig übernehmen. Im Zuge der Arbeit soll eine Nullsystemregelung eines VSC entworfen werden. Diese soll bestehende Konzepte der Erdschlussortung durch die Sternpunktbehandlung an Transformatoren auf den Stromrichter übertragen.

Inhalt:

• Erarbeitung Fehlerortungs-Methoden
• Einarbeitung in MATLAB/Simulink
• Einarbeitung in Stromrichterregelungen
• Erstellen einer Nullsystemregelung für Fehlerortung

Anforderungen:

• Motivation und strukturierte Arbeitsweise
• Grundlagen elektrische Energieversorgung (z.B. GEEV, BKE, BVE)
• Grundlagen der Regelungstechnik von Vorteil
• Kenntnisse in MATLAB/Simulink von Vorteil

Allgemeine Informationen:

Keywords: VSC-Umrichter, 3-Level-Umrichter, supersynchrone Resonanzen, Modulationsverfahren, umrichterbasierte Energieversorgung

Beschreibung:

• 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
• Hieraus ergibt sich die Fragestellung, wie sich die Modulation eines Umrichters auf die harmonischen Resonanzen auswirkt
• Ziel der Arbeit ist somit die Untersuchung von Einflussfaktoren verschiedener PWM-Verfahren auf supersynchrone Resonanzen

Inhalt:

• Aneignung Grundliegender Kenntnisse zu 3-Level-Umrichtern
• Vereinfachte Modellierung des Umrichters in PSS®NETOMAC als gesteuerte Spannungsquelle
• Umsetzung der PWM-Verfahren für den modellierten Umrichter mit dem Graphical Model Builder
• Aufbau eines einfachen AC-Netzes
• Bestimmung der Eigenwerte des Netzes und der harmonischen Impedanz
• Auswertung und Vergleich der Modulationsverfahren
• Gegebenenfalls Erweiterung der Verfahren auf Multilevel-Umrichter

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 (PSS®SINCAL/NETOMAC, DIgSILENT®PowerFactory, MATLAB®/Simulink)