Aktuelle Forschungsarbeiten
Verfahren zur Bereitstellung von Netzregelreserven durch Windenergieparks
Im Rahmen der Klima- und Energiepolitik der Europäischen Union wird der Zubau erneuerbarer Energiequellen im elektrischen Verbundsystem vorangetrieben, womit gleichzeitig ein Rückgang von konventionellen Kraftwerken am Netz einhergeht. Letzteres gefährdet die Frequenzstabilität im Netz, da insbesondere die konventionellen Kraftwerke an der inhärenten Bereitstellung von Momentanreserveleistung und an der Vorhaltung von Primärregelleistung beteiligt sind. Zudem wird die Spannungshaltung negativ beeinflusst, da die über Synchrongeneratoren ans Netz gekoppelten Kraftwerke nicht mehr an der Einspeisung von Blindleistung beteiligt sind. Um auch in Zukunft einen sicheren und robusten Betrieb des Verbundnetzes zu gewährleisten, müssen daher über Umrichter vom Netz entkoppelte Erzeugungseinheiten, allen voran Windparks, an der Bereitstellung von Netzdienstleistungen beteiligt werden.
Ziel dieser Forschungsarbeit ist es die Frequenz- und Spannungsstützung mithilfe eines Windparks als gesamtheitliche Aufgabenstellung durch ein den Einzelanlagen übergeordnetes Windparkmanagement umzusetzen. Dieses soll die Betriebsführungsziele maximaler Energieertrag und Bereitstellung von Netzdienstleistungen optimal zusammenführen sowie die Belastungen auf die Teilkomponenten begrenzen, um die Lebensdauer und damit die Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlagen zu erhöhen. Zu Untersuchungszwecken wird eine ganzheitliche Nachbildung eines Windparks mit den elektrischen, mechanischen als auch den aerodynamischen Querkopplungen durch 3D-Windmodelle angestrebt.
Ansprechpartner: M.Sc. Benedikt Spichartz
Windenergiekonverter mit doppelt gespeister Asynchronmaschine bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen im Netz
Im Rahmen dieses Projektes wird das Verhalten von Windenergiekonvertern mit doppelt gespeister Asychronmaschine bei kurzzeitigen Netzunterbrechungen untersucht. Diese Art von Fehlern kann sehr hohe Ströme und Spannungen in Stator- und Rotorwicklungen induzieren, was die teure, an den Rotor angeschlossene Leistungselektronik schädigen kann. Um dies zu verhindern, werden verschiedene Regelungsstrategien und zusätzliche Leistungselektronik untersucht, mit dem Ziel, während des Netzfehlers, die Kontrolle über den Windenergiekonverter zu erhalten und die Leistungselektronik zu schützen. Darüber hinaus muß die müssen während des Fehlers, Wirk- und Blindleistung geregelt werden können, um das Netz zu stützen. Das Ziel ist es eine passende Regelungsstrategie und Hardware zu entwickeln, welche den Windenergiekonverter schützt und gleichzeitig die sehr strengen Anforderungen bei Spannungseinbrüchen im Stromnetz (Low Voltage Fault Ride-Through LVFRT), spezifiziert durch die aktuellen Netzanschlussbedingungen, einhalten.
Ansprechpartner: M.Eng. Pavlos Tourou
Management dezentraler Energiesysteme
Die Verschiebung der Anteile an der elektrischen Energieerzeugung in Deutschland von fossilen zu regenerativen aber auch stochastisch fluktuierenden Energiequellen führt zu einer Verminderung der zeitlichen Flexibilität auf der Erzeugungsseite. Gleichzeitig verändert sich die räumliche Verteilung der Energiebereitstellung. Zu den bisher rein zentralen Kraftwerken sind dezentrale und neue, aber entfernte zentrale Kraftwerke hinzugekommen. Dies macht einen Aus- bzw. Umbau des Netzes notwendig. Zur Abmilderung dieser Effekte sollte der Anteil an zeitlicher Flexibilität im System erhöht werden. Der Fortschritt im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik ermöglicht mittlerweile neue Ansätze zur Erschließung des bislang unerschlossenen Flexibitätspotentials. Last- und Erzeugungsmanagement lässt sich nun auch für kleinere Anschlussleistungen realisieren.
Ansprechpartner: office@enesys.rub.de
Integration von Energiespeichersystemen in die Energieversorgung von Produktionlinien
Bei dem Betrieb von Produktionlinien, können je nach Prozess Spitzenleistungen auftreten, die erheblich höher sind als der durchschnittliche Leistungsbedarf, z.B. beim Schweißprozess, bei dem das Material in diskontinuierlichem Betrieb verbunden wird.
Diese Schwankungen belasten die Netz-Infrastruktur, was zur Spannungs- und Phasenwinkelvariationen am Verknüpfungspunkt führt. Ein weiteres Problem sind unsymmetrische Lasten, die unsymmetrische dynamische Schwankungen in der dreiphasig Stromversorgung verursachen.
Das Ziel des Projektes ist, geeignete dynamische Energiespeichersysteme (ESS) zu entwerfen, die Lastschwankungen durch die Implementierung einer intelligenten Regelstrategie mit einem Minimum an Speicher-Tiefe glätten. Dadurch kann die Leistung im Netz qualitativ stark verbessert werden und Flickereffekte können auf ein Minimum reduziert werden.
Um dies zu realisieren, sollte sowohl die gesamte Energieversorgung als auch die Verbraucher durch ein mathematisches Modell beschrieben werden, das mit Hilfe von Simulationsanwendungen validiert wird.
Diese Modelle sind wirksame Methoden zur Vereinfachung der Analyse des ESS und geben eine starke physische Intuition für das komplette System und wird in das bestehende Modell der Produktionslinien und Verbraucher integriert. Mit diesem Gesamtmodell, sollten verschiedene Ansätze für die Steuerung der ESS entwickelt und optimiert werden.
Ansprechpartner: office@enesys.rub.de
Verlustarme Sensorik in der Energietechnik
Der Bereich der Sensorik, die für die Messung von elektrischen Größen zuständig ist, hat sich von Jahr zu Jahr immer weiter ausgedehnt. Egal im welchen Bereich geschaut wird, ob in der Leistungselektronik, in der Antriebstechnik oder in der Automobilindustrie, der Begriff der Sensorik ist keine unbekannte “Größe”. Die Spezifaktionen für die Sensorik (hier: Stromsensor) haben sich durchaus neu gestaltet. Dementsprechend sind folgende problematische Aspekte zu berücksichtigen, wie einerseits die potenzfreie Übertragung des Messwerts (auf lange Distanz) und anderseits der Einfluss bezüglich der Abtastfrequenz des Messwerts von Stromsensoren in Hinblick auf die Schaltfrequenz von Stromrichter.
Aus diesem Grund soll zur Messung von Strömen in leistungselektronischen Geräten ein neuer Chip entwickelt werden, der sich direkt auf einem Shuntwiderstand befindet. Von dort sollen die Messdaten an eine entfernte Steuereinheit gesendet werden, die danach die Leistungselektronik ansteuert. Zielsetzung soll die Wiedergabe einer hohen Auflösung und Genauigkeit sein. Ein weiterer Aspekt, der in dieser Arbeit behandelt wird, ist der Einfluss bezüglich der Abtastfrequenz des Messwerts von Stromsensoren in Hinblick auf die Schaltfrequenz von Stromrichter. Es soll untersucht werden, wie oder ob sich das Systemverhalten durch den Sensor verändert.
Für die potentialfreie Übertragung von Messdaten, die von einem ASIC aufgenommen werden, wird eine Übertragungsstrecke bestehend aus μController, Optokoppler sowie Sende- und Empfangseinheit samt Stromversorgung verwendet. Die Stromversorgung stellt auf Grund der geforderten Potentialtrennung und Welligkeit hohe Ansprüche an die Konzeption. Bei der Erstellung eines PCB-Layouts ist dann zusätzlich noch die hohe EMV-Einstrahlung, die in Schaltungen mit moderner Leistungselektronik auftritt, zu beachten.
Für die Umsetzung der Datenübertragung für den Stromsensor wird hierfür ein neues Verfahren (Frequenz-Puls-Weiten-Modulation (F-PWM)) entwickelt. Basierend auf ein zweifach modelliertes PWM-Signal soll der Messwert in dieses übertragende Signal mit Hilfe eines Modulationsalgorithmus codiert werden.
Für die Untersuchung bezüglich des Einflusses der Einbeziehung von Stromsensoren wird ein simuliertes Modell des entwickelnden Stromsensors soll in einem Systemmodell eingebaut werden, welches aus einem Stromrichter (hier: Wechselrichter) und dem Netz besteht. Hinausgehend daraus soll analytisch betrachtet werden, ob die Notwendigkeit besteht, die Abtastrate des Stromsensors zu erhöhen, wenn der Stromrichter in Zukunft höher getaktet wird (z.B. 64kHz).
Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Abdoulkarim Bouabana
Regelstrukturen zur dynamischen Torsionsschwingungsbedämpfung in Energieumwandlungssträngen von Windkraftanlagen
Schwingungen in Windenergieanlagen sind unerwünschte Phänomene, die Ursachen für kostspielige Schäden sein können. Insbesondere Schwingungen im Antriebssystem können Schäden an Lagern, Getrieben und Wellen hervorrufen. Ursachen für die Schwingungen sind hauptsächlich die sich ändernde Windgeschwindigkeit und Anströmrichtung, aber auch Interaktionen der verschiedenen Regelungssysteme der Anlagen untereinander können als Ursache genannt werden. Stand der Technik zur Bekämpfung dieser Schwingungen sind zumeist Dämpfungssysteme, die auf abstimmbaren Dämpfungselementen bestehen und die Energie der Schwingungen absorbieren.
Das Ziel ist die aktive Bedämpfung von Schwingungen in Antriebssträngen von Windenergieanlagen mit Hilfe von regelungstechnischen Maßnahmen unter Nutzung des Generatorsystems und begrenzter Stellgrößenreserve. Dadurch kann die Systemkomplexität der Anlage verringert werden, außerdem wird der Wirkungsgrad der Anlage durch die Nutzung des Generatorsystems zur Schwingungsbedämpfung erhöht.
Der eingeschlagene Lösungsweg behandelt zunächst die Topologie des Antriebssystems und deren Modellierung. Die Modellierung ist ein zentraler Bestandteil, weil die nötige Ordnungsreduzierung immer auch einhergeht mit dem Verlust von Eigenfrequenzen. Mit Hilfe der Modelle kann eine Aussage über den Durchgriff der Stellgröße auf die einzelnen Teile des Antriebssystems getroffen werden. Darüber hinaus können Verhältnisse beschrieben werden, welche eine aktive Bedämpfung von Schwingungen besonders begünstigen oder erschweren. Die Integration eines Regelungskonzeptes zur aktiven Bedämpfung von Schwingungen ist ein weiterer Teil des Lösungsweges. Hierzu werden Mehrgrößenreglungskonzepte auf ihre Wirksamkeit zur aktiven Schwingungsbedämpfung untersucht.
Ansprechpartner: office@enesys.rub.de
Multifunktionale Leistungselektronik angepasst für elektrische Antriebe
Das Thema „Multifunktionale Leistungselektronik angepasst für elektrische Antriebe“ zielt auf die Energieeffizienz der Leistungselektronik der elektrischen Ausrüstung in einer Produktionslinie oder bei anderen denkbaren Antriebssträngen ab. In dieser Hinsicht steht die Energieeffizienz nicht nur für den geringen Energieeigenbedarf der Leistungselektronik, sondern auch für die Auswirkungen dieser auf angeschlossene Systeme. So soll die Leistungselektronik neben dem Eigenbedarf auch die Auswirkungen auf angrenzende Systeme reduzieren, um auch deren Energieeffizienz zu erhöhen. Dieses soll im Hinblick auf den Oberschwingungsgehalt der Leistungselektronik sowie auch durch die Reduktion des Bedarfs an Blindleistung bzw. die zur Verfügung Stellung von Blindleistung geschehen. Mit einem vorhandenen Anschluss an das Verbundnetz soll auch die Energierückgewinnung zum Beispiel aus einem abzuschaltenden Prozess (zum Beispiel: das Abbremsen einer trägen Anlage) ermöglicht werden.
Ansprechpartner: office@enesys.rub.de
Einfluss der Energiequalität in Produktionssystemen
Das zumeist fluktuierende Auftreten regenerativer Energien in Verbindung mit fehlenden Energiespeicherlösungen in großtechnischem Maßstab stellt eine der aktuellen Herausforderungen hinsichtlich des Erhaltes einer hohen Energiequalität dar. Desweiteren hat sich der Einsatz von Leistungselektronik in elektrischen Versorgungs- und Antriebssystemen deutlich erhöht, um ein dynamischeres Systemverhalten zu ermöglichen. Aufgrund des systemimmanenten, hochfrequenten Schaltens werden jedoch auch zusätzliche Störungen generiert. Die genannten Störeinflüsse führen zu einer niedrigeren Energiequalität in der elektrischen Versorgung und können zu signifikanten Störungen und sogar Anlagenausfällen führen. Der Forschungsschwerpunkt liegt in der Untersuchung dieser Auswirkungen verminderter Energiequalität in Produktionssystemen.
Ansprechpartner: office@enesys.rub.de
Antriebskonzepte zur Steigerung der Effizienz bei Rekuperation
Aktuell steht die geringe mit einer Batterieladung erzielbare Reichweite von Elektroautos einer höheren Akzeptanz in der Bevölkerung entgegen. Mit einem nahezu vollständig elektrisch ausgeführten Bremsvorgang könnte ein großer Anteil der kinetischen Energie des fahrenden Fahrzeugs in die Batterie zurückgespeist und so eine bedeutende Verlängerung der zurücklegbaren Fahrstrecke erreicht werden. Jedoch wird in den meisten derzeit verfügbaren Fahrzeugen der Großteil der beim Bremsen anfallenden Energie weiterhin über die mechanischen Bremsen in Wärme umgewandelt und nur ein Bruchteil in die Batterie zurückgespeist.
Ein Grund dafür ist, dass während eines Bremsvorgangs kurzzeitig Ströme auftreten können, die ein Vielfaches des Nennstroms der Maschine und des Umrichters betragen. Eine Überdimensionierung des Umrichters ist aus Kostengründen sowie wegen des erhöhten Platzbedarfs nicht erwünscht.
Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, Antriebsstrangtopologien und Regelungskonzepte zu erforschen, mit denen der Anteil der rekuperierten Energie maximiert und so ein Beitrag zur Reichweitenerhöhung geleistet wird.
Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Philipp Spichartz