Studentische Arbeiten

Allgemeine Informationen:

Keywords: Leitungsmodellierung, EMT

Themenbeschreibung:

Die Modellierung von Leitungen für Wanderwellenphänomene stellt eine Herausforderung bei der Analyse von Stromnetzen dar, da die Genauigkeit der Simulationen maßgeblich von der Wahl des Leitungsmodells abhängt. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit erfolgt eine Untersuchung und ein Vergleich verschiedener Leitungsmodelle. Dabei wird zunächst das grundlegende Modell mit einem Pi-Abschnitt, anschließend mehrere Pi-Abschnitte und schließlich das Bergeron-Modell betrachtet. Im Rahmen der Arbeit erfolgt eine Untersuchung hinsichtlich der Behandlung der Ausbreitung, Reflexion und Dämpfung von Wanderwellen durch die einzelnen Modelle.

Arbeitsinhalte

• Literaturrecherche zu Leitungsmodellen
• Einarbeitung in das Simulationstool
• Aufbau eines Testnetzes mit verschiedenen Leitungsmodellen
• Analyse der Simulationsergebnisse und Vergleich der Modelle

Voraussetzung:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Grundlagen der Elektrotechnik
• Grundlagen der elektrischen Energieversorgung
• Wünschenswert sind Kenntnisse zum Aufbau elektr. Betriebsmittel (BKE)

Allgemeine Informationen:

Keywords: Co-Simulation, RMS, EMT

Themenbeschreibung:

Unter dem Begriff „Co-Simulation“ wird die Kopplung mehrerer Simulationstools zur Laufzeit verstanden. Das Ziel besteht in der Nutzung der jeweiligen Stärken der einzelnen Werkzeuge, um die Rechenzeit zu reduzieren und die aufwendige Konvertierung von Modellen von einem Tool zum anderen zu vermeiden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, verschiedene Simulationsmodi wie eine RMS- mit einer EMT-Simulation zu koppeln. Die Kopplung der Tools erfolgt über einen performanten Shared Memory, über den der Datenaustausch und die Synchronisierung der Tools realisiert werden. Des Weiteren ist die Modellierung der Koppelstelle von essentieller Bedeutung. Hierbei handelt es sich um die (elektrische) Nachbildung in den jeweiligen Simulationstools, beispielsweise über ideale Strom- und Spannungsquellen. Am LEES wurden bereits eine Vielzahl von Simulationstools miteinander gekoppelt. Bisher wurde für den Austausch der Strom- und Spannungssignale der Quellen lediglich das Mitsystem betrachtet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll diese Vorgehensweise um den Austausch von Gegen- und Nullsystem-Signalen erweitert werden.

Arbeitsinhalte

• Literaturrecherche zur Co-Simulation
• Einarbeitung in das Simulationstool
• Aufbau eines Testnetzes und Implementierung der Co-Simulation zum Austausch von Gegen- und Nullsystem-Signalen
• Auswertung der Simulationsergebnisse

Voraussetzung:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Grundlagen der Elektrotechnik
• Grundlagen der elektrischen Energieversorgung
• Wünschenswert sind Kenntnisse zum Aufbau und Verhalten elektr. Betriebsmittel (BKE und BVE)

Allgemeine Informationen:

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

Themenbeschreibung:

Mit der hohen Integration von Erneuerbaren Energien ist sowohl das dynamische Verhalten der Netze als auch die Höhe des Kurzschlussstroms zunehmend von Umrichtern abhängig.Da Umrichter maßgeblich auf leistungselektronische Elemente basieren, dürfen die Kurzschlussströme die verwendeten IGBTs nicht gefährden. Die Umrichter beschränken den Kurzschlussstrom, so dass ein anderes Kurzschlussverhalten im Vergleich zu Synchronmaschinen resultiert. Die Kurzschlussstromberechnung wurde für Netze dominiert von Synchrongeneratoren aufgestellt. In dieser Arbeit soll das Vorgehen der Kurzschlussstromberechnung für umrichterbasierte Betriebselemente untersucht werden und anhand von dynamischen Simulationen bewertet werden. Als Basis für die Simulationen und Berechnungen sollen die gültigen Normen und Anschlussregeln von Betriebsmitteln dienen. Eine Aussage für die Kurzschlussstromberechnung und die zukünftige Bedeutung für die Auslegung von Schutzgeräten soll getroffen werden. Die Arbeit soll im Austausch mit der Siemens AG stattfinden, sodass ein Wissenstransfer mit Experten im Bereich Netzberechnungs- und simulationsprogrammen sowie im Bereich Schutz möglich ist.

Inhalt:

Inmitten der weltweiten Entwicklung hin zu nachhaltigen Energiesystemen wird es immer wichtiger, die Prinzipien der Energiewende verständlich und greifbar zu machen. Unsere Forschungseinrichtung trägt dazu bei, indem wir komplexe Konzepte der erneuerbaren Energien durch praktische Anwendungen bei beispielsweise der „Langen Nacht der Wissenschaft“ veranschaulichen. Ein zentraler Aspekt unserer Forschung ist die Untersuchung der Auswirkung von Harmonischen auf Betriebsmittel und Netz. Häufig dienen dabei Verstärker zur Nachbildung solcher Oberschwingungen. Liegen diese im hörbaren Bereich, werden Harmonische für jeden erlebbar. Unser Ziel ist es daher, mittels Echtzeitsimulation unsere Verstärker so zu konfigurieren, dass sie Melodien erzeugen können, indem sie die entsprechenden Töne durch die Nachbildung zugehöriger Schwingungen erzeugen.

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: Black Box, LCC-HGÜ, Real-Time Simulation, Regelung

Hintergrund:

Zur Umsetzung großer Infrastrukturprojekte in der Energietechnik, wie beispielsweise der Bau von Windparks oder Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜs), ist die Untersuchung der Netzintegration der Anlagen von großer Relevanz. Um die Netzkonformität dieser Anlagen zu gewährleisten, werden Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulationen eingesetzt, bei denen sowohl die Anlage als auch das Stromnetz auf Echtzeitsimulatoren modelliert werden, während die Regelung als Replika real implementiert ist. Als Ergänzung oder Vorstufe zu diesen umfassenden Tests kann auch lediglich der Quellcode der Regelung in der Echtzeitsimulation geprüft werden. Soll die Regelung auch an Dritte herausgegeben werden, müssen sogenannte Black-Box Modelle entwickelt werden, um das geistige Eigentum des Herstellers zu schützen.

HGÜ der klassischen Bauart, bekannt als LCC (Line Commutated Converter), spielen eine zentrale Rolle in der globalen Energieinfrastruktur durch ihre Fähigkeit, sehr große Leistungen über weite Strecken effizient zu übertragen. Diese Technologie ist insbesondere für die Verbindung von entfernten Energieerzeugungsanlagen mit den Verbrauchszentren sowie für die Verbesserung der Netzstabilität und -zuverlässigkeit unerlässlich. Durch die jahrelange Betriebserfahrung konnte die Auslegung der Regelungssyteme von HGÜ Klassik Anlagen sowie deren Netzkomformitätsprüfung optimiert werden.

Herausforderung:

Im Rahmen des Forschungspraktikums soll eine HGÜ Klassik Regelung der Siemens Energy in ein echtzeitfähiges und parametrierbares Black-Box Modell überführt und in die Simulationsumgebung RSCAD bzw. eine GTSOC Komponente für die Echtzeitsimulation am Real-Time-Digital-Simulator (RTDS) integriert werden. Hierzu steht das Regelungsmodell in MATLAB®/Simulink zur Verfügung. Das Regelungsmodell kann als .a (static libary) Datei kompiliert werden um so den verschlüsselten Quellcode zu generieren. Die Umsetzung und Implementierung erfolgt in dem Testfeld für Replika der Siemens Energy in Forchheim. Nach der Entwicklung soll das Black-Box Modell am Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme in einen Praktikumsversuch überführt werden. Dieser Teil der Arbeit findet im Echtzeitlabor des Lehrstuhls in Nürnberg statt.

Arbeitsinhalte:

• Einarbeitung in das Regelungsmodell der LCC HGÜ in MATLAB/Simulink
• Überführung eines paramtetrierbaren Regelungsmodelles in eine .a (static library) Datei
• Innbetriebnahme der GTSOC Komponente am RTDS System
• Validierung der Black-Box Echtzeitsimulation des Regelungsmodells
• Ausarbeitung einer Versuchsbeschreibung für das Praktikum „Hochleistungsstromrichter“

Voraussetzungen:

• Grundlagen der elektrischen Energieversorgung
• Power Electronics in Three-Phase AC Networks: HVDC Transmission and FACTS (optional)
• Hochleistungsstromrichter (optional)
• MATLAB®/Simulink
• RSCAD® und Erfahrungen mit Echtzeitsimulation (optional)
• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise

Allgemeine Informationen:

Keywords: Netzschutz, Distanzschutz, Pendelsperre

Hintergrund:

Der Distanzschutzalgorithmus dient der Fehlererkennung und –ortung in elektrischen Netzen. Dabei wird anhand der gemessenen Ströme und Spannungen die Fehlerdistanz berechnet. Dies ermöglicht eine selektive Auslösung des Schutzsystems. Pendelungen im Netz können den Distanzschutzalgorithmus anregen und somit zur einer nicht gewollten Auslösung führen. Mit Hilfe der Pendelsperre kann zwischen Fehlern und Pendelungen im Netz unterschieden werden.

Herausforderung:

Im Zuge der Arbeit soll eine Pendelsperre in einen bereits vorhandenen Distanzschutzalgorithmus in MATLAB implementiert werden. Der Distanzschutz und die mathematische Herleitung der Pendelsperre sind zu Beginn zu erarbeiten. Abschließend soll der erweiterte Algorithmus durch Simulationen in Simulink evaluiert werden.

Arbeitsinhalte:

• Theoretische Herleitung der Pendelsperre
• Implementierung in MATLAB
• Evaluation in Simulink

Voraussetzungen:

• Grundlagen der Elektrotechnik
• Grundlagen der elektrischen Energieversorgung
• Schutz- und Leittechnik (optional)
• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Motivation

Allgemeine Informationen:

Keywords: Umrichterregelung, Netzfolgend, Netzbildend, Dynamische Simulation

Themenbeschreibung:

Die Netzstabilität umfasst die Eigenschaft eines elektrischen Systems nach auftretenden Fehlern in einen stabilen Zustand zurückzukehren. In Netzen dominiert von Synchrongeneratoren werden die Aufgaben der Frequenz- und Spannungshaltung von den Generatoren übernommen. Diese werden allerdings durch die erhöhte Integration von Erneuerbaren Energien aus dem Netz verdrängt. Damit müssen die Umrichterregelungen nun die Frequenz- und Spannungsstützung übernehmen. Während netzfolgende Umrichter bei Frequenzänderungen ihre Wirkleistungseinspeisung und bei Spannungsänderungen ihre Blindleistungseinspeisung so anpassen, dass ein weiterer Abfall verhindert wird, passen netzbildende Umrichter ihre gestellte Frequenz und Spannungsamplitude bei Netzänderungen an. In dieser Arbeit soll für eine bestehende netzfolgende und netzbildende Umrichterregelung die Stützfunktionen anhand der Anschlussregeln von Umrichtern erweitert werden. Außerdem soll für ein gegebenes Netz ein Vergleich der Spannungs- und Frequenzstützung für synchronmaschinendominierte Netze und umrichterdominierte Netze durchgeführt werden.

Inhalt:

• Einarbeiten in Umrichterregelung  und Stützfunktionen anhand der technischen Anschlussregeln
• Implementierung der Stützfunktionen in ein bestehendes Umrichtermodell
• Durchführen von Simulationen und Vergleich der Frequenz- und Spannungsstabilität in umrichterdominierten und synchronmaschinendominierten Netzen

Anforderungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Vorteilhaft sind bereits vorhandene Kenntnisse im Bereich Umrichterregelung

Allgemeine Informationen:

Keywords: Power-Hardware-in-the-Loop Simulation, Harmonische Interaktionen, Verstärker, 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
• Um Versuche dahingehend an realen Messaufbauten, insbesondere für Multi-Umrichtersysteme durchzuführen, müssen Verstärker die zur Umrichternachbildung eingesetzt werden ebenso die vom Umrichter erzeugten Oberschwingungen realitätstreu abbilden
• Ziel der Arbeit ist deshalb der Entwurf eines Messaufbaus, mit welchem die Korrekte Nachbildung von Oberschwingungen mittels Verstärker bei Power-Hardware-in-the-Loop (PHiL) Simulationen verifiziert werden kann

Inhalt:

• Aneignung Grundliegender Kenntnisse zu PHiL-Simulationen
• Erstellen eines Echtzeitsimulationsmodells mit Schnittstelle zum zu Untersuchenden Verstärker
• Umsetzung des PHiL-Testaufbaus mit eingebundenem Verstärker und Messgeräten
• Durchführung erster Messungen am Verstärker

Anforderungen:

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

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: Wind Energy Systems, Battery Energy Storage Systems, Sizing Optimization

Description:

• While transformative in sustainable energy generation, Wind Energy Systems present challenges in grid integration and stability.
• This research explores the optimal sizing of Battery Energy Storage Systems (BESS) tailored for grid-forming applications within these wind energy frameworks.
• By strategically sizing and integrating BESS, the study aims to enhance grid stability, smoothen power fluctuations, and ensure a consistent energy output. The research offers a systematic approach to model, simulate, and size BESS to fit the dynamic needs of wind energy installations and the interconnected grid.

Scope:

• Getting started with Python and PowerFactory
• Getting started with Loadflow Analysis and Optimization
• Development of a systematic methodology for BESS sizing
• Simulation and testing of different BESS sizes under varied wind energy scenarios

Requierements:

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

Allgemeine Informationen:

Keywords: PV-Umrichter, Grundschwingungsmodell, Testnetz, 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 die Erstellung eines Mittelspannungs-Testnetzes mit einem PV-Umrichter als Spannungsquelle, welches anschließend als Basis für weitere Untersuchungen zu Umrichterinteraktionen verwendet werden kann
• Das erstellte Modell könnte anschließend für eine auf dem Forschungspraktikum aufbauende Masterarbeit genutzt werden.

Inhalt:

• Aneignung Grundliegender Kenntnisse zur Erstellung von Netzmodellen
• Erstellung eines Simulationsmodells eines AC-seitigen Mittelspannungstestnetzes als Grundschwingungsmodell
• Vereinfachte Modellierung des PV-Umrichters als gesteuerte Spannungsquelle

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: PowerFactory, RSCAD, Import/Export

Themenbeschreibung:

• Auswahl spezifischer PowerFactory Modelle für den Export bzw. Import
• Export der PowerFactory Modelle
• Import in den Echtzeitsimulator
• Validierung zwischen PowerFactory und RSCAD

Ziel:
Analyse der Chancen und Herausforderungen der PowerFactory Import-Funktion des RTDS Echtzeitsimulators

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: PowerFactory, Übertragungsnetz, Schutz

Themenbeschreibung:

Mit dem Fortschreiten der Energiewende und dem Wegfall konventioneller Erzeugungseinheiten, ändert sich das Stabilitätsverhalten des elektrischen Netzes. Die Bedeutung von Stabilitätsuntersuchungen steigt daher auch für die Planung eines sicheren und wirtschaftlichen Netzbetriebs. Neben der Modellierung der einzelnen Betriebsmittel und der Berücksichtigung des dynamischen Verhalten mittels Regelungsmodellen, prägt auch der Schutz das elektrische Netz. Um das Netz umfassender untersuchen zu können, sollen verschiedene Schutzfunktionen, wie beispielsweise ein Überstromschutz, in ein bereits dynamisiertes Netz implementiert werden. Anschließend sollen die Funktionen getestet und analysiert werden. Die Betreuung der Arbeit erfolgt am LEES in Kooperation mit der TenneT TSO GmbH.

Ziele:

• Literaturrecherche und Einarbeitung in Thema und Software (DigSILENT®PowerFactory und Python)
• Entwicklung eines Skriptes zur Implementierung eines Überstromschutzes, einer automatischen Wiedereinschaltung und weiterer Funktionen in PowerFactory
• Test der Funktionen in einem dynamisierten Netz
• Analyse des Netzschutzes

Voraussetzungen:

• Selbstständige, sorgfältige und strukturierte Arbeitsweise
• Grundkenntnisse im Bereich der elektrischen Energietechnik (z.B. Vorlesung GEEV)
• Wünschenswert: Programmiererfahrung (z.B. Python, C++)
• Vorteilhaft sind Erfahrungen mit Simulationsprogrammen (v.a. PowerFactory)

Allgemeine Informationen:

Keywords: Sternpunktbehandlung, Petersenspule, Erdschlussfehler, MATLAB/SIMULINK, PowerFactory

Beschreibung:

Einphasige Erdschlüsse sind die häufigsten Fehler im elektrischen Netz. Der dabei auftretende Fehlerstrom, sowie die resultierenden Spannungen, hängen von der Sternpunktbehandlung des Netzes ab. Dabei ist die Auslegung mit einer Kompensationsspule eine der geläufigsten Arten in der Mittelspannung. Die Spule deckt jeweils ein definiertes, abgetrenntes, Netzgebiet ab. Neue Ansätze bieten die Möglichkeit den Fehlerstrom durch VSC (Voltage Source Converter) zu kompensieren. Durch die weite Verteilung von Stromrichtern wäre damit eine dezentrale Fehlerstromkompensation möglich. Im Zuge der Arbeit soll untersucht werden, wie sich das elektrische Netz im Fehlerfall bei dezentraler Kompensation verhält. Damit soll die Basis für zukünftige Untersuchungen mit dezentraler Sternpunktbehandlung durch Stromrichter gelegt werden.

Inhalt:

• Einarbeitung in Sternpunktbehandlung
• Erstellen eines Testnetzes in MATLAB/Simulink oder PowerFactory
• Simulation einer dezentralen Fehlerstromkompensation
• Analyse und vergleich von dezentraler und zentraler Sternpunktbehandlung

Anforderungen:

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