Studentische Arbeiten

Allgemeine Informationen:

Keywords: Arbeitspunktanpassung, HGÜ, Stabilität im elektrischen Energieversorgungsnetz

Beschreibung:

• Grundsätzlich unterscheidet man bei den Regelungskonzepten von Umrichtern zwischen netzfolgenden und netzbildenden Ansätzen. Netzfolgende Regelungen erfordern eine Synchronisation mit dem Drehstromsystem, die beispielsweise mithilfe eines sogenannten Phasenregelkreises (Phase-Locked Loop, PLL) erreicht werden kann. Dies ermöglicht eine gezielte Steuerung von Wirk- und Blindleistung am Anschlusspunkt. Der Umrichter fungiert dabei aus Sicht des Netzes als Stromquelle. Im Gegensatz dazu benötigen netzbildende Regelungen keine Synchronisation mit dem Drehstromsystem über eine PLL. Stattdessen wird die Frequenz und Spannungsamplitude am Anschlusspunkt direkt eingestellt. Die Synchronisation kann beispielsweise mithilfe von Statiken erfolgen, die sich am Betriebsverhalten von Synchronmaschinen orientieren. In diesem Fall agiert der Umrichter aus Sicht des Netzes als Spannungsquelle.
• In einem Mult-Terminal HGÜ System werden mehrere Umrichter (n>2) über die Gleichstromseite (DC) miteinander verbunden. Dabei muss die Gleichspannung von mindestens einem netzfolgenden Umrichter geregelt werden. Die verbleibenden (n-1) Umrichter können dabei theoretisch beliebig im netzbildenden oder netzfolgenden Betrieb operieren. Da netzbildende Umrichter jedoch ihre Arbeitspunkte kontinuierlich in Abhängigkeit der Leistungsflüsse im AC-System anpassen, kann es zu unerwünschten Wechselwirkungen mit dem DC-System kommen. Diese können unter Umständen auch wieder ins AC-System rückgekoppelt werden und zu Instabiliäten führen.
• Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die möglichen Wechselwirkungen durch die Regelungskonzepte der Umrichter in Multi-Terminal-HGÜ-Systemen gezielt zu analysieren.

Inhalt:

• Einarbeitung in das zu verwendene Netzberechnungsprogramm
• Theoretische Grundlagen von netzfolgenden und netzbildenden Regelungen von MMC sowie der Regelung von MT-HGÜ Systemen (Voltage-Droop und Master Slave)
• Auswahl einer geeigneter Verfahren zur Analyse der Wechselwirkungen zwischen Umrichter,  AC- und DC-System (z.B. Eigenwertanalyse, Impedanz-basierte Stabilitätsuntersuchungen, Untersuchungen zur Großsignalstabilität)
• Analyse der Auswirkungen von Arbeitspunktschwankungen in MT-HGÜ-Systemen auf die Stabilität des elektrischen Energieversorgungsnetzes
• Untersuchung der Stabilität von vermaschten AC/DC Systemen

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-Systemen auf die Stabilität des elektrischen 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:  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)

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: 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