Archiv

  • Wilhelmi, Florian: On the characteristic electrical and thermal properties of beta-phase gallium oxide (β–Ga2O3) Schottky diodes in view of their potential application in power electronics
    Bd. 101 (2024)

    Der Halbleiter beta-Galliumoxid (β–Ga2O3) vereint eine 4.6–4.9 eV breite Bandlücke mit der Verfügbarkeit schmelzgewachsener Wafer und könnte dazu beitragen, den steigenden Bedarf an hocheffizienter und kostengünstiger Leistungselektronik zu decken. Jedoch konzentriert sich die Forschung derzeit noch hauptsächlich auf die grundlegenden Strukturen der Bauelemente. Außerdem weckt die geringe thermische Leitfähigkeit von Ga2O3 Bedenken hinsichtlich möglicher Probleme bei der Wärmeabfuhr. Ziel dieser Arbeit ist, einen Übergang von der bisherigen Forschung auf Bauelementestruktur-Ebene hin zur Anwendung in der Leistungselektronik zu schaffen, indem elektrische und thermische Eigenschaften neuartiger β–Ga2O3 Dioden aus einer geplanten Fertigungslinie experimentell und simulativ untersucht werden. Bei mehreren β–Ga2O3 Dioden ist eine Änderung des Leitmechanismus zu beobachten, die zu einer anfänglichen Abnahme und dann zu einem Anstieg der Leitungsverluste mit steigender Temperatur führt. Dies scheint jedoch auf die Herstellung der Chips zurückzuführen zu sein und nicht direkt auf die intrinsischen Eigenschaften von β–Ga2O3. Trotz einer starken Variation der Materialeigenschaften zwischen Dioden desselben Typs wird ein geringerer Anstieg des differentiellen Durchlasswiderstands mit steigender Temperatur im Vergleich zu Siliziumkarbid (SiC) Dioden beobachtet, und Messungen der temperaturabhängigen Idealitätsfaktoren und Schottky-Barrierenhöhen weisen auf stabile Sperrschicht- bzw. Grenzflächeneigenschaften hin. Die Entwärmung von Ga2O3 Dioden kann durch Abdünnen der derzeit 600 μm dicken Standardbauteile auf Dicken von 200 μm signifikant verbessert werden. Im Gegensatz zu SiC erweist sich jedoch die sperrschichtseitige Kühlung trotz der kleineren Kühlfläche als wesentlich effektiver bei der Senkung der Bauteiltemperatur, wenn die gesamte Anodenfläche mit Lot- bzw. Sinterpaste bedeckt ist. In Verbindung mit den potenziell geringen Leitungsverlusten scheint es realistisch, dass künftige Ga2O3 Dioden bei gleichem Durchlassstrom ähnliche Sperrschichttemperaturen erreichen wie moderne kommerzielle SiC Dioden. Selbst 600 μm dicke Dioden werden erfolgreich in einem 400 V Abwärtswandler eingesetzt, der bei Schaltfrequenzen von bis zu 350 kHz betrieben wird. Es werden maximale Anstiegsgeschwindigkeiten der Spannung von über 100 V/ns erreicht, aber im Dauerbetrieb weisen die Ga2O3 Dioden einen höheren Temperaturanstieg auf als die SiC Vergleichsbauteile. Dennoch können mit den Ga2O3 Freilaufdioden trotz des aktuell höheren Durchlasswiderstandes aufgrund der fehlenden Rekombinationsverluste die Effizienzen mit einer modernen Silizium-Diode ähnlicher Größe übertroffen werden.

    ISBN:  978-3-948749-49-1

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2024-087

     

     

  • Helm, Sebastian: Optimiertes Lademanagement von E-Kfz zur Spannungsstabilisierung im Niederspannungsnetz
    Bd. 100 (2024)

    Im Rahmen einer CO2-neutralen Energiegewinnung und der Reduzierung des Anteils fossiler Energieträger in den Sektoren Strom, Wärme und Transport erfolgt die Integration von regenerativen Energien. Infolge der langfristig zunehmenden Energiepreise steigt der Wunsch von Privatpersonen nach energetischer Unabhängigkeit sowie der Eigenversorgung mit Energie. Die Folge ist ein starker Zubau an einphasig und dreiphasig angeschlossenen PV-Anlagen und Batteriespeichern sowie dreiphasig angeschlossenen Wärmepumpen, was zu neuen Herausforderungen durch die wesentlich höheren Bezugsleistungen der Anlagen führt. Die Umstellung des Verkehrssektors und die Forcierung der Elektromobilität mit einer Summe von 1.000.000 Fahrzeugen im Laufe des Jahres 2021 führt zu einem weiteren Anstieg von einphasigen und dreiphasigen Lasten. Niederspannungsnetze weisen im Gegensatz zu anderen Netzebenen die Besonderheit auf, dass Lasten großteils einphasig angeschlossen sind, da sie oft geringe Leistungen aufweisen. Die wesentlich höheren Bezugsleistungen von PV-Anlagen, Batteriespeichern, Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen wirken sich unmittelbar auf die Netzstabilität aus und spiegeln sich durch niedrige und unsymmetrische Netzspannungen auf den Phasen wieder. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Symmetrierung sowie der Spannungshaltung der drei Phasen im Niederspannungsnetz unter Verwendung von intelligenten „Grid-to-Vehicle“ (G2V) sowie „Vehicle-to-Grid“ (V2G) Anwendungen von Elektrofahrzeugen. Eingangs erfolgt die Definition von Unsymmetrie und Grenzwerten sowie die Berech- nung von unsymmetrischen Lastflüssen. Es wird analysiert, wie Lasten sowohl mit ein- phasigem als auch mit dreiphasigem Netzanschluss Unsymmetrien erzeugen. Im An- schluss wird auf die Entwicklung eines G2V-Ansatzes zur Symmetrierung und eines V2G-Ansatzes zur Symmetrierung und Spannungshaltung eingegangen. Auf Basis von vorhandenen Messwerten, gegeben durch die Ladeinfrastruktur, erfolgt mit Anwendung eines Optimierungsansatzes die Bestimmung einer optimalen Lade- bzw. Entladeleistung zur Stabilisierung des Netzzustandes. Dabei wird konzeptionell von keinerlei kommunikationstechnischer Anbindung oder hinterlegten Netztopologien im Elektrofahrzeug ausgegangen. Im Rahmen von Simulationen für die definierten Szenarien 2020, 2025 sowie 2030 wird die Funktion der entwickelten Lösung aufgezeigt und die Ansätze ohne Anpassung der Ladeleistung mit G2V und V2G verglichen.

    ISBN: 978-3-948749-48-4

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2024-086

     

  • Middelstädt, Felix: Electromagnetic field coupling to thin wires above the ground
    Bd. 99 (2024)

    Leitungen spielen in vielen elektrischen und elektronischen Geräten eine große Rolle. Sie werden zur Übertragung von Informationen oder Leistung zwischen unterschiedlichen Komponenten verwendet. Sie können jedoch auch ungewollt als Antenne wirken und somit ein Einfallstor für elektromagnetische Störungen durch externe elektromagnetische Felder sein. Außerdem können über die Leitungen elektromagnetische Felder abgestrahlt werden, die wiederum andere benachbarte Geräte stören. Daher ist es speziell im Bere-ich der elektromagnetischen Verträglichkeit wichtig die physikalischen Mechanismen der Feldeinkopplung in und Datenübertragung auf Leitungen zu untersuchen. Es gibt verschiedene Leitungstypen, z.B. Mikrostreifenleitungen auf Leiterplatten oder dünnen Drähte über einer Masseebene. Das Ziel dieser Dissertation ist die analytische und semi-analytische Untersuchung der Ströme auf dünnen Drähten über einer großen Masseebene im Frequenzbereich. Das allgemeine Verständnis der Ausbreitung von Wellen auf Leitungen soll hiermit verbessert werden. Die untersuchten dünnen Drähte werden durch ebene Wellen angeregt. Verglichen mit der Wellenlänge sind die Leitungen lang und besitzen einen gleichförmigen Abschnitt entlang der Trajektorie. Bis auf den gleichförmigen Abschnitt ist die Trajektorie der Leitung beliebig und Abschlussimpedanzen werden berücksichtigt. Mehrere parallele Drähte werden ebenfalls untersucht. Für diese Leitungen ist der sogenannte asymptotischen Ansatz anwendbar. Der Ansatz liefert einen analytischen Ausdruck für den Strom im gleichförmigen Abschnitt des Drahtes. Er spielt eine zentrale Rolle bei der analytischen und semi-analytischen Untersuchung des Stromes. Es wird angenommen, dass der Strom eine Superposition aus mehrere transversal elektromagnetischen Moden und einer erzwungenen Antwort ist. Die Amplituden der Moden hängen von sogenannten Streu- und Reflexionskoeffizienten an den Leitungstoren ab. Diese Koeffizienten sind im Allgemeinen komplex, frequenzabhängig und von der Trajektorie am Leitungsende abhängig. Daher beinhalten die Koeffizienten Hochfrequenzeffekte, wie z.B. Feldabstrahlung an Ungleichförmigkeiten entlang der Leitung. Dies ist ein entscheidender Unterschied zur klassischen Leitungstheorie. Daher ist der asymptotische Ansatz für deutlich höhere Frequenzen anwendbar als die klassischen Theorie. Die Streu- und Reflexionskoeffizienten können durch numerische und analytische Methoden approximiert werden. Das Hauptaugenmerk liegt in dieser Arbeit auf der analytischen Näherung. Eine iterative Methode wird verwendet, um die Koeffizienten ausgehend von den “Mixed Potential Integral Equations” für dünne Drähte analytisch zu approximieren. Die Iteration wird mit der Lösung der klassischen Leitungstheorie initialisiert. Jeder weitere Iterationsschritt nutzt die vorheriege Lösung als Quelle, um eine bessere Approximation zu finden. Die analytische Lösung wird mit einer numerischen (Momentenmethode) verglichen. Es ist eine sehr gute Übereinstimmung zu beobachten. Außerdem zeigen die Beispiele, dass die iterative Lösung signifikant genauer ist als die klassische Lösung aus der Leitungstheorie. Darüber hinaus werden die analytischen und numerischen Approximationen mit Messergebnissen verglichen. Der komplexe Radarrückstreuquerschnitt von dünnen Drähten wird dazu gemessen und die komplexen Resonanzfrequenzen, die sogenannten natürlichen Frequenzen, werden extrahiert. Die analytischen natürlichen Frequenzen werden mithilfe des asymptotischen Ansatzes und der iterativen Methode bestimmt. Eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Messergebnissen, der analytischen Näherung und der numerischen Lösung ist für alle gewählte Beispiele zu beobachten.

    ISBN: 978-3-948749-45-3

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2024-082

     

  • Fritsch, Martin: Measurement of partial discharges on power cables : a step towards successful online monitoring
    Bd. 98 (2024)

    Die elektrischen Verteilnetze, welche zu einem hohen Anteil aus Energiekabeln bestehen, werden in Zukunft einer zunehmenden Auslastung ausgesetzt sein und eine wichtigere Rolle im Energieversorgungssystem spielen. Die höhere Auslastung ist ein Problem, da die meisten Energiekabel bereits Jahrzehnte alt sind und die elektrische Festigkeit ihrer Isolierung sich mit der Zeit verschlechtert. Da der Zustand der Kabelisolierung den Verteilnetzbetreibern (VNB) im Allgemeinen nicht bekannt ist, wird das Risiko für Kabelausfälle entsprechend steigen. Um kostspielige Versorgungsunterbrechungen zu vermeiden, benötigen die VNB daher eine zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie für ihre Energiekabel. Die gebräuchlichste Methode zur Zustandsüberwachung ist die Teilentladungsmessung (TE), die kleine elektrische Entladungen an Isolierungsdefekten frühzeitig erkennt. Heutige TE-Sensoren sind jedoch üblicherweise nicht für eine kontinuierliche Online-Überwachung konzipiert und oft schlicht zu teuer, weshalb ihre Anwendung für VNB erheblich eingeschränkt ist. Ziel dieser Dissertation ist daher die Entwicklung eines günstigen und zuverlässigen TE-Sensors zur Online-Überwachung von Energiekabeln. Der Fokus der Forschung liegt auf der Verbesserung von Hochfrequenz-Stromwandlern (HFCT), um deren Probleme bezüglich magnetischer Sättigung zu überwinden und ihre Empfindlichkeit zu optimieren. Zu Beginn der Arbeit wird hierzu das Übertragungsverhalten von TE-Signalen auf Energiekabeln und ihre messbare Bandbreite untersucht. Hierzu wird ein analytisches Energiekabelmodell hergeleitet, um die verbleibende Bandbreite der TE-Impulse an den Kabelenden, an denen die TE-Sensoren installiert werden, zu bestimmen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein optimiertes HFCT-Sensordesign ermittelt. Zu diesem Zweck wird ein analytisches HFCT-Modell entwickelt. Die eigentliche Herausforderung bei der Nutzung von HFCTs zur Online-TE-Messung ist jedoch deren Anfälligkeit für magnetische Sättigung, verursacht durch die hohen 50-Hz-Betriebsströme der Energiekabel. Zur Lösung dieses Problems wird ein verbessertes HFCT-Design mit geteiltem Kern vorgeschlagen, wobei der Sensor in der Lage ist, die Luftspaltlänge selbstständig entsprechend des derzeitigen Sättigungsniveaus zu variieren. Ein Mikrocontroller steuert hierzu einen Servomotor an, um die Luftspaltlänge in Echtzeit zu regeln und maximale Empfindlichkeit ohne Sättigung zu gewährleisten. Diese Lösung ermöglicht die Online-Überwachung von Energiekabeln mit HFCT-Technologie. Zu den wichtigsten Beiträgen dieser Arbeit gehören das verbesserte Split-Core HFCT- Design mit selbstregelnder Luftspaltlänge, ein analytisches Übertragungsleitungsmodell für die HF-Signalübertragung, ein analytisches HFCT-Modell zur Designoptimierung und eine Methode zur Echtzeitauswertung der TE-Messung. Zukünftige Arbeiten sollten sich der weiteren Optimierung des Sensordesigns und der Integration fortgeschrittener Methoden zur TE-Detektion und Signalauswertung widmen.

    ISBN: 978-3-948749-43-9

    DOI: https://doi.org/1024352/ub.ovgu-2024-050

     

  • Kempiak, Carsten: Lastwechselmethoden für Siliziumkarbid-MOSFETs unter Berücksichtigung von deren Schwellspannungsinstabilität
    Bd. 97 (2023)

    Die Anwendung von etablierten Qualifizierungstestroutinen wie Lastwechseltests auf SiC-MOSFETs ist mit Herausforderungen verbunden: Die Schwellspannung Uth von SiCMOSFETs ist kein stabiler Parameter, was sowohl die Sperrschichttemperaturerfassung während der Testdurchführung beeinflusst als auch zu einer unerwünschten Verschiebung des Einschaltwiderstandes führt. Innerhalb dieser Arbeit wird ein Konzept zur Uth- Erfassung während einer Lastwechselprüfung erarbeitet und umgesetzt. Hierauf aufbauend erfolgt zunächst eine umfangreiche Charakterisierung von Schwellspannungsinstabilitäten unter lastwechseltypischen Gate-Bedingungen. Es werden die wesentlichen Einflussfaktoren herausgearbeitet und deren Einfluss auf Lastwechseltests diskutiert sowie ein Konzept zur Unterdrückung unerwünschter Drifteffekte während der Lastwechselprüfung mittels Vorkonditionierung abgeleitet. Der Vergleich erster Lastwechseltests mit und ohne Vorkonditionierung validiert dessen Eignung und impliziert ferner einen signifikanten Einfluss von Uth auf das Lastwechselergebnis. Zusätzlich wird eine von Uth-Instabilitäten unabhängige Temperaturerfassung mittels chip-integriertem Sensor eingeführt und mit der etablierten USD(T)-Methode verglichen. Im Ergebnis dieser Arbeit werden die wesentlichen Herausforderungen zur Anwendung von Lastwechseltests auf SiC-MOSFETs aufgezeigt, Methoden zum Umgang mit diesen erarbeitet und experimentell verifiziert. Exemplarische Untersuchungen erfolgen sowohl an speziell angefertigten Forschungsmustern als auch an käuflichen SiC-MOSFETs unterschiedlicher Hersteller und Spannungsklassen.

    ISBN: 978-3-948749-38-5

    DOI: https://doi.org/10.24352/ub.ovgu-2023-102

  • Lindemann, Andreas, Wolter, Martin, Rose, Georg, Vick, Ralf (Hrsg.): 23. Dresdener Kreis Elektroenergieversorgung: Begleitband zum Workshop 2022 in Magdeburg
    Bd. 96 (2023)

    Im Jahr 2022 war die Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Ausrichter des alljährlichen
    Treffens des „Dresdener Kreis“. Vom 15. bis zum 16. März nahmen neben dem
    LENA (Lehrstuhl für Elektrische Netze und Erneuerbare Energie) auch Mitarbeitende der
    Universitäten Dresden, Hannover und Duisburg-Essen am Doktorandenseminar teil.

    ISBN: 978-3-948749-33-0

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2023-094

     

     

  • Könneke, Nicola: Entwurf eines Testbetts für Assistenzsysteme in der Netz- und Systemführung
    Bd. 95 (2023)

    Am 30.06.2011 beschloss der Bundestag einen vollständigen Ausstieg aus der Kernenergie [1]. Des Weiteren wurde am 03.06.2020 ein vollständiger Ausstieg aus der Kohlkraft vereinbart [2]. Durch diese Beschlüsse kam es zu einem erheblichen Rückgang der konventionelle Erzeuger und damit zu einer deutlichen Reduktion der trägen Schwungmassen im Netz. Zusätzlich ist der Anteil der Erneuerbaren Energieträger an der Bruttostromerzeugung in den letzten Jahren von 18,9 TWh (1990) auf 233,6 TWh (2021) angestiegen [3], wodurch gleichzeitig die hochdynamische Leistungselektronik im Netz deutlich zunahm. Sie kann in Zukunft nicht mehr mit etablierten, vollständig manuell auszuführenden Netzführungskonzepten bewerkstelligt werden. Dementsprechend müssen einige Prozesse der Netzführung teil- oder vollständig automatisiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine solche Automatisierung der Netzführung betrachtet. Dazu wird zunächst die Grundlage des entwickelten Testbetts, die normkonforme Schnittstelle, vorgestellt. Dies beinhaltet eine Evaluierung der in der IEC-60870-5 enthaltenen Bedingungen bezüglich des Kommunikationsaufbaus und -ablaufs sowie der Zusammensetzung der jeweiligen Telegramme. Außerdem werden sowohl technische als auch juristische Voraussetzungen von Assistenzsystemen untersucht. Die Zusammensetzung des Testbetts wird detailliert beschrieben. Dabei werden die unterschiedlichen Funktionen der Kommunikationspartner (Leitwarte, Schnittstelle und Simulationsumgebung) veranschaulicht. Der Verbindungsaufbau, Datenaustausch und Aufbau des später verwendetet Assistenzsystems sind ebenfalls Bestandteil dieses Arbeitsschrittes. Die mathematische Herleitung der in der Simulationsumgebung implementierten Berechnungen (Lastfluss und Sensitivitätsanalyse) und die inhaltlichen Unterschiede zwischen dem Redispatch und dem Redispatch 2.0 schließend den analytischen Teil dieser Arbeit ab. Die detaillierte Beschreibung des Assistenzsystems erfolgt zunächst mathematisch, um im späteren Verlauf an zwei unterschiedlichen Fallbeispielen veranschaulicht zu werden. Diese Fallbeispiele beinhalten ein 6-Konten-Netz aus der 110-kV-Ebene und ein komplexeres Netz, welches eine Nachbildung des Übertragungsnetzes von Sachsen-Anhalt samt Nachbarstationen und unterlagerten Stationen beinhaltet. Anhand dieser Netze werden sowohl die Funktionalität als auch die Vorteile des Assistenzsystems vorgestellt und belegt. Die dazugehörigen Simulationen basieren auf viertelstündlichen Messwerten und umfassen ein komplettes Jahr. Außerdem werden in dem 6-Knoten-Netz mehrere Kombinationen hinsichtlich des Einspeiseverhaltens berücksichtigt.

    ISBN: 978-3-948749-32-3

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2023-015

     

  • Woldu, Tahaguas: Modeling and simulation of power system dynamics for studying the impacts of increasing wind power in a weak grid system
    Bd. 94 (2023)

    Die Sorge um die Umwelt und die Bemühungen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, führen dazu, dass erneuerbare Energieressourcen bei der Stromerzeugung in den Vordergrund rücken. Die Windenergie hat in den letzten Jahrzehnten weltweit einen rasanten Ausbau erfahren, was zu Herausforderungen im Systembetrieb in Bezug auf Frequenz- und Spannungsstabilität führt. Die Untersuchung und Bewertung der Auswirkungen großer Windkraftanlagen auf die Dynamik des Stromnetzes ist ein wesentlicher Schritt zur Verbesserung des frequenz- und spannungsstabilen Betriebs. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der Windenergie zu untersuchen und Maßnahmen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von elektrischen Netzen mit verschiedenen Netztopologien vorzuschlagen. Der doppelt gespeiste Asynchrongenerator (DFIG) ist der am weitesten verbreitete Windturbinentyp, da er mit variabler Windgeschwindigkeit betrieben werden kann, über einen Teillastumrichter verfügt und in der Lage ist, den Generator bei anormalen Bedingungen synchron mit dem Netz zu halten. Daher wird in dieser Arbeit ein detailliertes Modell von DFIG-basierten Windturbinengeneratoren verwendet, um den Einfluss eines steigenden Windenergieanteils in einem großen Netzsystem zu veranschaulichen. Die netzdynamischen Modelle umfassen Synchrongeneratoren, automatische Spannungsregler, Turbinenregelungssysteme, DFIG-basierte Windturbinengeneratoren, verschiedene Steuerelemente, Übertragungssysteme und Transformatoren. Die mathematischen, dynamischen Modelle werden mit Hilfe numerischer Integrationstechniken gelöst. Zu diesem Zweck wird ein Tool zur dynamischen Simulation von Stromsystemen in MATLAB/Simulink entwickelt. In dieser Arbeit werden vier Testnetze, einschließlich einer Fallstudie für das äthiopische Stromnetz, verwendet, um die dynamischen Reaktionen in verschiedenen Netztopologien zu simulieren. Die verschiedenen Simulationsszenarien und Netztopologien bestätigen, dass eine Erhöhung des Windenergieanteils die transiente Stabilität des Systems verschlechtert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung des Windkraftanteils zu einer Verringerung der dynamischen Spannungsstabilitätsreserven, einer Erhöhung der Frequenzänderungsrate und einer Verringerung der Wirkleistungsübertragungsfähigkeit führen. Darüber hinaus wird beobachtet, dass sich die DFIGs als Reaktion auf Netzspannungseinbrüche bei schweren Fehlerereignissen selbst vom Netz trennen, um die rotorseitigen Back-to-Back-Umrichter vor Rotorüberströmen zu schützen. Die dynamischen Auswirkungen von DFIG-basierten Windgeneratoren werden bewertet und es werden Regelungsstrategien vorgeschlagen, die die Windgeneratoren nicht nur unterstützen, am Netz zu bleiben, sondern auch die Systemstabilität bei Netzstörungen zu verbessern. Es wird eine neue Regelungsstrategie vorgeschlagen, um die Fähigkeit von DFIG-Windgeneratoren zum Niederspannungs-Ride-Through zu verbessern. Die vorgeschlagene Regelungsstrategie umfasst die gemeinsame Anwendung eines STATCOM und einer Rotor-Überdrehzahl-Strategie. Der STATCOM wird hauptsächlich eingesetzt, um den Stator-Spannungseinbruch zu reduzieren und die Rotor-Überdrehzahl-Strategie wird verwendet, um die Rotorüberströme bei Stator-Spannungseinbrüchen zu reduzieren, was zu einer geringeren Ausgangsleistung führt. Die Überdrehzahlregelung wird eingesetzt, um den Wirkleistungssollwert so anzupassen, dass er proportional zum Spannungseinbruch an der Klemme ist. Auf diese Weise wird die Turbine veranlasst, die Rotordrehzahl bis zur maximal zulässigen Grenze zu erhöhen, sodass die Ausgangsleistung so lange reduziert bleibt, bis der Spannungseinbruch am Stator durch den schnell reagierenden STATCOM wieder ausgeglichen wird. Der zweite Beitrag dieser Doktorarbeit befasst sich mit Lösungen für die Verbesserung der Netzfrequenzstabilität bei höherem Durchdringungsgrad von Windenergie. Es wird ein neuer Ansatz vorgestellt, mit dem die Betreiber von Windkraftanlagen ihre Windenergieerzeugung so planen können, dass sie den Prozess der Wiederherstellung der Netzfrequenz unterstützen. Das vorgeschlagene Frequenzregelungsmodul auf Anlagenebene überwacht den Beitrag der verschiedenen Betriebseinheiten in einem großen Windpark auf der Grundlage ihrer jeweiligen Windgeschwindigkeit und der Netzfrequenzabweichung. Die dynamischen Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen Spannungsund Frequenzregelungsstrategien effizient sind, um den Spannungsabfall in Echtzeit zu regulieren und die Steuerbarkeit von Spannung und Frequenz bei einem höheren Durchdringungsgrad der Windenergie zu verbessern.

    ISBN: 978-3-948749-31-6

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2023-013

     

     

  • André Richter: Virtuelle Kraftwerke im Verteilnetz : systemstützender Betrieb im wirtschaftlichen Kontext : eine gesamtheitliche Betrachtung Virtueller Kraftwerke
    Bd. 93 (2023)

    Mit der Zunahme von dezentralen, volatilen erneuerbaren Energien steigt auch die Schwierigkeit zur Stabilisierung des Energiesystems Strom. Insbesondere durch den Wegfall von konventionellen Kraftwerken ist es notwendig, geeignete Steuerungskonzep-te zu őnden und Systemdienstleistungen auch aus erneuerbaren Energien bereitzustellen, um ein zuverlässiges und stabiles System zu gewährleisten. Die vorliegende Dissertation liefert mit dem Konzept des Virtuellen Kraftwerks einen Ansatz zur Bündelung von kleinen, dezentralen, erneuerbaren Energien-Anlagen der Mittel- und Niederspannung. Mit dem hier vorgestellten Virtuellen Kraftwerk wird der große Nutzen von gepoolten Anlagen in den Prozessen der Netzbetreiber aufgezeigt und das Gesamtverständnis des techno-ökonomischen Stromsystems erweitert. Darüber hinaus liefert diese Dissertation die Least-Squares-Kombiprognose zur Verbesserung der PV- und Wind-Einspeiseprognose. Den Kernbeitrag stellt die Entwicklung und algorithmische Umsetzung von netzdienlichen Betriebsführungskonzepten für das Virtuelle Kraftwerk dar. Diese zielen auf die Maximierung der Bereitstellung von Regelleistung, Redispatchvermögen und auf die Einhaltung des Day-Ahead-Fahrplans ab. Zudem werden wirtschaftliche Betriebskonzepte umgesetzt, die als ökonomischer Maßstab zur Bewertung der netzdienlichen Konzepte herangezogen werden. Anhand eines exemplarischen Virtuellen Kraftwerks werden die Algorithmen getestet und der große Nutzen der Betriebskonzepte sowie eine Wirtschaftlichkeit (auch ohne EEG-Förderung) nachgewiesen. Abschließend liefern die Analysen Anhand eines Mittelspannungstestnetzes eine Einordnung des Virtuellen Kraftwerkbetriebs in die Netzbetriebsführung. Zu diesem Zweck wird das Cigré-Benchmarknetz rein mit erneuerbaren Energien und Lasten auf Basis von statistischen Werten von EE-dominierten Verteilnetzbetreibern parametrisiert.

    ISBN: 978-3-948749-28-6

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2023-001

  • Muhammad Tayyab: Holistic approach for microgrid planning and operation for e-mobility infrastructure under consideration of multi-type uncertainties
    Bd. 92 (2022)

    Integrating renewable energys ources in sectors such as electricity, heat, and transportation must be structured in an economic, technological, and emission- efficient manner to address global environmental issues.Microgrids appear to be the solution for large-scale renewable energy integration in these sectors.The microgrid components must be optimally planned and operated to prevent high costs, technical issues, and emissions. Existing approaches for optimal microgrid planning and operation in the literature do not include a solution for e-mobility infrastructure. As a consequence, a compact e-mobility infrastructure metho- dology is provided.The development of e-mobility infrastructure has as sociated uncertainties (short and long-term). As a result, a new stochastic method re- ferred to as IGDM-DRO is proposed in this dissertation.The proposed method provides a risk-averse strategy for microgrid planning and operation by including long-term and short-term uncertainty related to e-mobility.The multi-cut ben- der decomposition is applied for IGDM-DRO to prevent the suggested method’s intractability.Finally, the deterministic and stochastic methodologies are com bined in an ovelholistic approach for microgrid design and operation in terms of cost and robustness.The proposed method ist ested on a new settlement area in Magdeburg, Germany, under three different EV development scenarios (nega- tive, trend, andpositive).The share for the number of electric vehicles reached 31 percent of conventional vehicles by the end of the planned horizon. As a result, the microgrid’s overall cost has been increased by 2.3 to 2.9 percent per electric vehicle.Three public electric vehicle charging stations will be required in the investigated settlement are a intrend 2031.The investigated settlement area will require a total cost of 127,029 € in the trend scenario.To achieve full robustness against long-term uncertainties,the cost of the microgrid needs to be increased by 80 percent.

    ISBN: 978-3-948749-25-5

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2022-084

     

  • Dancker, Jonte: Sensitivity Factors for Integrated Energy Systems: A Joined Quasi-Steady-State Approach
    Bd. 91 (2022)

    Integrated energy systems can increase the use of volatile renewable energy generation while reducing operation cost in the electric power system. The benefits result from shifting energy between energy infrastructures and using the network storage capability of district heating and gas systems. But the more strongly the different energy systems are linked the more complex their operation becomes. To ensure a secure and reliable system operation while using the full potential of integrated energy systems the interactions and the network storage effects of the district heating and gas system must be analyzed. Existing power flow calculation methods of integrated energy systems, however, neglect the network storage effects which result from the dynamic behavior of the district heating and gas system. The dynamic behavior is only investigated if the different energy systems are solved separately. As existing methods do not directly represent the interactions and effects of the dynamic behavior in an integrated energy system, the effect of any unit's power change on the power flows in the integrated energy system can only be determined by a complete power flow calculation, leading to a high computational cost. To reduce the computational cost this thesis derives sensitivity factors estimating the effect of a power change on the system state of an integrated energy system. To derive the sensitivity factors a joined quasi-steady-state power flow calculation method for integrated energy systems is developed extending existing steady-state approaches. For this, the system state of the electric power system, district heating system, and gas system is determined simultaneously, directly representing their interactions. To include the dynamic behavior a gradient method is proposed, which allows temperature and calorific value changes to be tracked in a coupled power flow calculation. The gradient method can accurately depict the dynamic behavior in the joined quasi-steady-state power flow calculation method even with simulation time increments of up to 60 min. Hence, compared to existing methods larger simulation time increments can be chosen to reach the same accuracy, leading to a reduced computation time. The sensitivity factors are on average ten times faster in estimating a new system state after a unit's power change compared to a power flow calculation. Besides the high computational efficiency, they can provide good estimates considering the complexity of the interactions and the dynamic behavior in an integrated energy system. As the joined quasi-steady-state power flow calculation method is based on the steady-state analysis existing use cases can be easily extended to consider the full potential of integrated energy systems. Therefore, the thesis provides system operators with a method to accurately analyze the full potential of Integrated energy systems.

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2022-81

    ISBN: 978-3-948749-24-8

  • Willmann, Benjamin: Elektromagnetische Umweltverträglichkeit eines Elektrofahrzeugs mit kontaktlosem Ladesystem
    Bd. 90 (2022)

    Bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen mit kontaktlosen Ladesystemen (WPTSysteme) ist die Elektromagnetische Umweltverträglichkeit (EMVU) gegenüber Magnetfeldern sicherzustellen. Mithilfe von zwei neu entwickelten Methoden kann eine Abschätzung des EMVU-Verhaltens bereits in einer frühen Phase der Entwicklung erfolgen. Dabei ist es möglich sowohl Referenz- als auch Basiswerte zu betrachten. Für die Berechnung der induzierten elektrischen Feldstärke im Körper wird eine Erweiterung eines bestehenden Feldlösers durch Volumenintegralgleichungen vorgestellt und anschließend am Menschenmodell TARO verifiziert. Die erste Methode modelliert WPT-Systeme aus Konstruktionsdaten und parametriert diese durch eine Kombination von Netzwerkanalyse und der Theorie reflektierter Impedanzen. Eine Verifikation kann durch Magnetfeldmessungen während eines Komponententests durchgeführt werden. Das Simulationsmodell des WPT-Systems wird anschließend in Verbindung mit dem Modell der Fahrzeugkarosserie für die Berechnung der Magnetfelder und zur Abschätzung des EMVU-Verhaltens verwendet. Im Innenraum eines Fahrzeugs treten ebenfalls Magnetfelder auf. Diese werden meist durch die elektrischen Ströme der Energieversorgungssysteme verursacht. Hier bietet die zweite vorgestellte Methode der strombasierten EMVU-Bewertung die Möglichkeit einer prototypenfreien Entwicklung. Dazu werden zunächst Stromgrenzwerte für die jeweilige Komponente aus den Referenzwertfunktionen anzuwendender Personenschutzempfehlungen in Verbindung mit Leitungs- und Karosserie-Daten eines virtuellen Prototyps abgeleitet. Anschließend können diese in einer CISPR 25 Komponentenprüfung für die EMVU-Bewertung der gemessenen Ströme verwendet werden.

    DOI: https://doi.org/102435 2/UB.OVGU-2022-054

    ISBN: 978-3-948749-19-4

  • Pribahsnik, Florian Peter: Gallium Nitride (GaN) specific mechanical phenomena and their influence on reliability in power HEMT operation
    Bd. 89 (2022)

    In den letzten Jahren ist Gallium Nitride (GaN) auf dem Markt für Leistungsbauelemente in größerem Maßstab angekommen, wodurch die Notwendigkeit eines tieferen Verständnisses der grundlegenden Interaktionen im Chip notwendig geworden ist. Umfangreiche Forschung wurde auf dem Gebiet der elektrischen Effekte durchgeführt, da dort die wichtigsten Unterschiede gegenüber Silicon (Si) liegen. Im Gegensatz zur generellen Forschungsrichtung fokussiert sich diese Arbeit auf neue mechanische und thermo-mechanische Phänomene, die bisher in Si Bauteilen nicht vorhanden waren. In Kapitel 3 wird die Wechselwirkung von mechanischer Spannung, Temperatur und elektrischem Feld besprochen. Die physikalischen Effekte, die diese Zustandsgrößen verbinden, werden im Detail erklärt und es wird gezeigt, welche Effekte aufgrund ihrer Größe sicher vernachlässigt werden können und welche einer näheren Untersuchung bedürfen. In Kapitel 4 werden die thermischen Fähigkeiten bei massiver thermischer Überlastung, die durch einen Kurschluss verursacht wird, diskutiert. Der Testaufbau, auf dem die Chips bis zum Ausfall gestresst werden, wird vorgestellt. Anschließend werden die ausgefallenen Bauelemente analysiert und die Grundursache mit Hilfe von der Finite Element Analysis (FEA) und einer umfassenden, detaillierten physikalischen Fehleranalyse erklärt. Zusätzliche Vorschläge für Verbesserungen in diesem speziellen Versagensmodus werden am Ende gegeben. Kapitel 5 gibt Einblicke in die Resonanzphänomene bei GaN. Da GaN piezoelektrisch ist kann es als Aktuator fungieren, um den gesamte Chip in Resonanz zu bringen. Dieses Phänomen ist vermessen worden und wird anschließend durch FEA simuliert. Die Simulation wird dann gegen die Messung validiert, um die Richtigkeit der Simulation sicherzustellen. Aus diesen Simulationen werden Schlussfolgerungen bezüglich der Zuverlässigkeit der beiden am meisten gefährdeten Schichten, der GaN Schicht und Chip Verbindungsschicht, gezogen. Zusätzlich werden am Ende Extremfälle diskutiert, die einen Ausblick auf kommende Chipgehäuse geben sollen.

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2022-051

    ISBN: 978-3948749-17-0

  • Raya, Mustafa: Circuit models of shielded single and multiconductor cables for EMC analyses
    Bd. 88 (2022)

    In dieser Arbeit werden neuartige Schaltungsmodelle für Koaxialkabel mit Geflechtschirm über einer Masseebene vorgestellt. Die Modelle sind aus der Leitungstheorie abgeleitet und eignen sich zur Integration in SPICE-Simulationsprogramme. Es werden zwei Arten von Modellen vorgestellt. Zuerst wird ein konzentriertes Schaltungsmodell (lumpedcircuit model) erklärt, bei dem das Kabel in kleine Abschnitte unterteilt ist, wobei jeder Abschnitt durch ein Ersatzschaltbild ersetzt wird. Dann wird aus den analytischen Lösungen der Leitungstheorie ein Makromodell entwickelt, welches das gesamte Kabel ohne Diskretisierung darstellt. Diese Arbeit demonstriert die Effizienz des Makromodells in Bezug auf Rechenzeit und Genauigkeit im Vergleich zum konzentrierten Schaltungsmodell. Die entwickelten Schaltungsmodelle können die eingekoppelte Spannung an den Abschlüssen des Kabels berechnen, wenn eine einfallende ebene Welle in das Kabel eingekoppelt wird. Diese Modelle können auch die Kopplungen aufgrund von Störungen durch konzentrierte Quellen berechnen. Die entwickelten Modelle eignen sich daher für die Schaltungs-EMVAnalyse von Systemen, die geschirmte Kabel enthalten und anfällig für Feldeinkopplungen oder Störungen mit anderen Systemen sind. Die bidirektionale Kopplung zwischen der Innen- und Außenseite des Kabelschirms wird berücksichtigt, was die Analyse der Störfestigkeit und der Emission ermöglicht. Die mathematischen Funktionen zur Berechnung der Kopplung zwischen dem inneren und dem äußeren System des Kabels werden in Ersatzschaltungen umgewandelt, die den Einsatz der Modelle im Frequenzbereich oder zusammen mit nichtlinearen Elementen im Zeitbereich ermöglichen. Die entwickelten Modelle für ein einadriges geschirmtes Kabel werden im Rahmen dieser Arbeit für geschirmte mehradrige Kabel erweitert. Die Schaltungsmodelle werden durch Messungen und Feldsimulationen validiert, wobei die Ergebnisse eine sehr gute Übereinstimmung zeigen.

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2022-037

    ISBN: 978-3-948749-16-3

     

  • Abschlussbericht zum Verbundprojekt InKoLa : Infrastrukturkopplung - Platzierung und Betrieb von Ladestationen aus Verkehrs- und Energienetzsicht
    Bd. 87 (2022)

    Im Mittelpunkt des Vorhabens InKola „Infrastrukturkopplung – Platzierung und Betrieb von Ladestationen aus Verkehrs- und Energienetzsicht“ steht die infrastrukturübergreifende Planung und der Betrieb für Verkehr- und Energiesysteme.

    Das Ziel ist es, zusammen der Stadt Burg ein anwendungsorientiertes Konzept zur optimalen Platzierung, Versorgung und Betrieb von Ladeinfrastruktur aus Netz- und Verkehrssicht unter Einbindung erneuerbarer Erzeugung zu entwickeln, und an ausgewählten Standorten in der Stadt Burg Ladeinfrastruktur zu installieren.

     

     

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2022-014

    ISBN: 978-3-948749-15-6

  • Kasper, Johanna: Analysis of the stochastic electromagnetic field coupling to single and multiconductor transmission line structures
    Bd. 86 (2021)

    In dieser Dissertation werden Übertragungsleitungen und ihr Verhalten in einer Modenverwirbelungskammer analysiert. Zu diesem Zweck wird eine zeiteffiziente semianalytische Lösung zur Berechnung der Einkopplung stochastischer elektromagnetischer Felder in ein- und mehradrige Übertragungsleitungsstrukturen vorgestellt. Das Simulationsmodell basiert auf den Baum-Liu-Tesche (BLT) Gleichungen. Diese Arbeit geht über die Untersuchung der Einkopplung einer einzelnen ebenen Welle hinaus und untersucht die Anregung durch ein stochastisches Feld. Die Übertragungsleitungen werden dabei analytisch mit Hilfe der Leitungstheorie beschrieben und zusätzlich werden Leitungsbeläge definiert. Basierend auf den Maxwell-Gleichungen wird eine verallgemeinerte Leitungstheorie vorgestellt, die jedoch in ihrer Struktur der klassischen Leitungstheorie ähnelt. Für die Leitungsparameter wird ein Hochfrequenz (HF)-Modell abgeleitet, sodass die Parameter frequenzabhängig werden. Das semianalytische Modell wird mit der Momentenmethode und durch Messungen in der Modenverwirbelungskammer verglichen und validiert. Verschiedene Konfigurationen der Leitungsstrukturen werden analysiert und die eingekoppelten Spannung an den Enden der Leitungen berechnet, gemessen und diskutiert. Darüber hinaus wird der Einfluss von gebogenen und geknickten Übertragungsleitungen und der Einfluss des Knicks auf die Einkopplung untersucht.

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2021-105

    ISBN: 978-3-948749-13-2

  • Pannicke, Enrico: Empfangsspulen für bildgeführte Eingriffe mittels Magnetresonanztomographie
    Bd. 85 (2021)

    Die Magnetresonanztomographie bietet einen überragenden Weichteilkontrast, die Möglichkeit Schichten beliebig ausrichten zu können und eine nicht invasive Thermometrie. Zur Durchführung minimal invasiver bildgeführter Eingriffe stellen diese Eigenschaften einen unschätzbaren Vorteil gegenüber anderen bildgebenden Verfahren, wie der Computertomographie (CT) dar. Denn der überragende Weichteilkontrast ermöglicht es auch kleine Zielstrukturen darzustellen und damit eine zuverlässige Punktion zu ermöglichen. Die Auswahl auch obliquer (d. h. schräger) Schichten ermöglicht es, etwaige Risikostrukturen sicher zu umgehen. Dennoch konnten sich die Durchführung solcher Eingriffe unter MR-Bildgebung in den vergangenen 20 Jahren nie in der Breite durchsetzen. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der komplexe Arbeitsablauf solcher Eingriffe, die aufgrund fehlender standardisierter Instrumente und Prozeduren nur an wenigen Zentren durchgeführt werden. Die dort etablierten Lösungen sind durch eine hohe Individualität und schlechte Übertragbarkeit gekennzeichnet. Die sogenannten „MR-Empfangsspulen“ sind für die sichere Durchführung solcher Eingriffe von enormer Bedeutung - bestimmten sie doch wesentlich die Bildqualität. Ziel dieser Dissertation ist es daher ein Konzept für eine dedizierte interventionelle MR-Empfangsspule in ihren Grundzügen zu untersuchen. Dieses hat zum Zweck, die Platzierung und Vorbereitung einer für den Eingriff notwendigen MR-Empfangsspule wesentlich zu vereinfachen. Dazu werden neue Ansätze zur sogenannten „Leistungsanpassung“ und „Aktiven Entkopplung“ vorgestellt. Diese ermöglichen es die bisher üblichen Topologien von MREmpfangsspulen neu zu definieren und weitere Freiheitsgrade in der Implementierung zu gewinnen. Dieses Vorgehen unterscheidet sich grundlegend von vergleichbaren Studien, die konsequent auf die Substitution von Komponenten setzen z.B. zur Erhöhung der Flexibilität. Die vorgestellten Ansätze werden eingehend analysiert und entsprechende Verfahren zur korrekten Dimensionierung erarbeitet. Letzte dienen damit als Grundlage für ein ingenieurtechnisches Vorgehen und werden experimentell validiert. Beide Teilansätze wurden in dem Demonstrator einer dedizierten interventionellen Spule integriert und anhand von Laborund MR-Messungen evaluiert. Dabei konnte aufgezeigt werden, dass die neu eingeführten Ansätze vergleichbare Ergebnisse zu dem im Stand der Technik etablierten Methoden liefern. Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, dass die in dieser Arbeit dargelegten Beiträge die Implementierung interventioneller „Einweg“-Spulen ermöglicht.

    ISBN: 978-3-948749-12-5
    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2021-096

     

     

  • Zhang, Yonggang: Analysis and control of resonances in HVDC connected DFIG-based offshore wind farm
    Bd. 84 (2021)

    Wechselwirkungen zwischen den weit verbreiteten wechselrichtergekoppelten Netzkomponenten und den passiven Netzkomponenten können einen breiten Frequenzbereich von Resonanzen aufweisen, wodurch massive harmonische Verzerrungen hervorgerufen und sogar die Systemstabilität gefährdet werden. Ihre Folgen könnten die Trennung erneuerbarer und konventioneller Stromerzeuger vom Netz oder die physische Beschädigung empfindlicher Netzanlagen sein. Motiviert durch die Resonanzereignisse der letzten Jahre in windintegrierten Stromversorgungssystemen, untersucht diese Dissertation die resonanzinduzierten harmonischen Verzerrungs- und Stabilitätsprobleme in einem Offshore-Windpark (OWF) mit doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren (DFIG) und Netzanschluss mittels Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ). Ziel dieser Dissertation ist es, die Resonanzen genau zu charakterisieren, ihre Risiken zu bewerten und Lösungen für die Gestaltung der Minderungsstrategie bereitzustellen. Um die dynamischen Eigenschaften eines DFIG-basierten Windparks genau zu erfassen, wird eine umfassende Impedanzmodellierung unter Berücksichtigung des detaillierten PIRegelkreises und der Gleichstromdynamik der Windkraftanlage sowie der Kabelverbindungen des Mittelspannungskollektorsystems (MV) durchgeführt. Durch schrittweise Simulationsüberprüfungen hat sich die aggregierte Modellierung des MVKollektorsystems für die Breitbandresonanzanalyse als geeignet erwiesen. Auf dieser Grundlage wurden sowohl die Bode-Plot-Methode als auch der Ansatz der Resonanzmodusanalyse (RMA) angewendet, um die Resonanzprobleme unter Berücksichtigung verschiedener Betriebsbedingungen des Windparks und Änderungen der Netz-Topologie anzugehen. Ihre Auswirkungen auf die Resonanzfrequenz, die harmonische Verzerrungen und die Dämpfungen zu Resonanzen werden untersucht. Die Orte, an denen Resonanzen am einfachsten angeregt werden können, werden durch die Busbeteiligungsfaktoranalyse identifiziert. Darüber hinaus wird der Einfluss der Frequenzkopplungseffekte von Steuerungs- und Schaltvorgängen für asymmetrische Wandler auf subsynchrone Resonanz- (SSR), Mittel- und Hochfrequenzresonanzen unter Verwendung der aggregierten Modelle analysiert, die aus einem praktischen HGÜverbundenen DFIG-basierten OWF abgeleitet wurden. Für den Frequenzbereich von mehreren Hz bis zu einigen kHz werden große harmonische Verzerrungs- und Stabilitätsprobleme gezeigt. Um den negativen Einfluss von Resonanzen auf die Stromqualität und die Systemstabilität zu verhindern, wurde eine Reihe aktiver Dämpfungsmöglichkeiten untersucht und in das untersuchte windintegrierte Stromnetz implementiert, und es wird eine koordinierte Dämpfungsstrategie vorgeschlagen, mit der Breitbandresonanzen effektiv gedämpft werden können. Schließlich validieren Simulationen in MATLAB / Simulink die Ergebnisse der Impedanzmodellierung, der Resonanzanalyse sowie die Wirksamkeit der Breitbandresonanzdämpfungsstrategie.

    ISBN: 978-3-948749-05-7
    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2021-062

     

     

  • Gerlach, Andreas: Regelung von direktangetriebenen elektrischen Maschinen für Verbrennungsmotoren
    Bd. 83 (2021)

    Diese Arbeit handelt von der Regelung von elektrischen Maschinen, welche an einem Verbrennungsmotor direkt gekoppelt sind. Zu Beginn werden einige Grundlagen zur Regelung von permanent erregten Synchronmaschinen (PMSM) und die Funktionsweise von Vier-Takt-Ottomotoren erläutert. Es folgen dann die verschiedenen Versuchsaufbauten, die in dieser Arbeit genutzt wurden, um verschiedene mittelwert und dynamikbasierte Regelverfahren zu validieren. Zu den mittelwertbasierten Regelverfahren werden Verfahren gezählt, welche keine hochdynamische Drehmomentänderung innerhalb der vier Takte des Verbrennungsmotors benötigen. Hierzu gehört unter anderem die drosselklappenaktorlose Leistungsregelung. Das zu regelnde System ist nichtlinear. Zur Regelung des Systems wurde es zum einen mithilfe einer Taylorannäherung und zum anderen mit einer Ausgangsrückführung linearisiert. Zu dem linearisierten System konnte anschließend ein Regler ausgelegt werden. Ein weiteres mittelwertbasiertes Regelverfahren ist die winkelgeberlose Regelung. Hierbei wurden verschiedene verschiedene Winkelschätzverfahren für die PMSM angewendet, um den elektrischen Winkel und das Drehmoment des Verbrennungsmotors zu schätzen, welches mit einem theoretischen Kompressionsdrehmoment verglichen wird, um den Kurbelwinkel zum elektrischen Winkel zu referenzieren. Die dynamikbasierten Regelverfahren sind Verfahren, welche innerhalb der vier Takte den Drehmoment-/ Kraftverlauf der elektrischen Maschine stark verändern. Hierdurch ist es unter anderem möglich, den Kolbenhubverlauf bei einem Verbrennungsmotor mit Kurbelwelle und bei einem Freikolbenmotor anzupassen. Außerdem kann die Einprägung eines hochdynamischen Drehmoments auf einer Nockenwelle dazu genutzt werden, um die Ventilsteuerzeiten zu variieren. Weiterhin wird eine hohe Regeldynamik benötigt, wenn eine nahezu konstante Drehzahl erforderlich ist. Hierfür muss ein Drehmoment eingeprägt werden, was das Drehmoment des Verbrennungsmotors kompensiert. Dies wird als Drehmomentdämpfung/-kompensation bezeichnet. Es wurden verschiedene Drehmomentdämpfungsmethoden getestet und die Ergebnisse nach Implementierungsaufwand und benötigten Sensoren verglichen.

    ISBN: 978-3-948749-03-3
    DOI: https://doi.org/1024352/UB.OVGU-2021-056

     

     

     

  • Liu, Yu: Contribution to improve the EMI performance of electrical drive systems in vehicles with special consideration of power semiconductor modules
    Bd. 82 (2021)

    Diese Arbeit dient als Beitrag zur Verbesserung des EMV-Verhaltens elektrischer Antriebssysteme in Fahrzeugen, wobei der Fokus auf dem Leistungshalbleitermodul für die Automobilanwendung liegt. Für ein besseres und tieferes Verständnis der Quelle von leitungsgebundenen Störungen werden die EMV-Mechanismen und -Effekte im Zusammenhang mit dem Leistungsmodul im Antriebssystem durch Simulationen und Messungen untersucht. Der Einfluss der Diode Reverse Recovery Effekte auf das EMV-Verhalten wird quantitativ mit verschiedenen Lastströmen sowie mit verschiedenen Diodentypen, wie z.B. SiC-Schottky-Dioden, analysiert. Durch Simulationen wird der Einfluss des Leistungsmoduls auf das System untersucht; auf dieser Basis wird die Bedeutung verschiedener Faktoren innerhalb und außerhalb des Leistungsmoduls für das EMV-Verhalten bewertet. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wird der Messaufbau für eine konventionelle EMV-Messung für die Automobilanwendung vorgestellt. Die Messergebnisse belegen, dass die Simulationsmodelle unter bestimmten Randbedingungen für zukünftige Leistungsmodulkonstruktionen zur EMV-Vorhersage verwendbar sind. Basierend auf dem Verständnis, wie es aus den Simulationen und Messergebnissen hergeleitet wurde, werden konkrete Optimierungskonzepte für ein inhärent störungsarmes Leistungsmodul entwickelt und realisiert. Dessen EMV-Verhalten sowie der Aufwand des Musterbaus aus Sicht des Leistungsmodulherstellers werden anhand verschiedenen Kriterien verglichen und bewertet. Außerdem wird das dynamische und Kurzschlussverhalten der Prototypen einschließlich der Stromverteilung zwischen den Halbleiterchips charakterisiert. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Testverfahren vorgestellt, mit dem es möglich ist, das leitungsgebundene EMV-Verhalten von Leistungsmodulen abzuschätzen, ohne den gesamten Testaufbau wie bei einer konventionellen EMV-Messung zu erstellen. Diese Charakterisierung kann anschließend in der Phase der Inverterentwicklung verwendet werden, um ein geeignetes Modul auszuwählen und den erwarteten Aufwand zur Einhaltung der EMV Standards zu bewerten.

    ISBN: 978-3-948749-01-9
    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2021-055

     

     

  • Middelstädt, Lars: Transiente Effekte in leistungselektronischen Schaltungen mit schnellschaltenden Leistungshalbleitern unter besonderer Berücksichtigung der elektromagnetischen Verträglichkeit
    Bd. 81 (2020)

    Das Schalten von neuen Leistungshalbleitern innerhalb von wenigen ns stellt hohe Ansprüche an ein korrespondierendes Schaltungslayout sowie an das Design passiver Komponenten im Bezug auf minimierte parasitäre Elemente. Dies ist unter anderem für die elektromagnetische Verträglichkeit von Bedeutung. Diese Arbeit analysiert und bewertet transiente Effekte von schnellschaltenden Leistungshalbleitern mit speziellem Fokus auf die elektromagnetische Verträglichkeit und schlägt Maßnahmen zur Verbesserung vor. Das erhöhte Störpotential von Schaltungen mitWide Bandgap-Transistoren gegenüber Schaltungen mit konventionellen Si-IGBTs wird im Detail untersucht. Anhand eines beispielhaften DC/DC-Wandlers werden allgemeingültige Designrichtlinien für passive Komponenten sowie für das Schaltungslayout entwickelt. Hierbei werden sowohl die intra-EMV als auch geleitete und gestrahlte Störungen anhand von Messergebnissen analysiert und bewertet. Untersuchungen zum Einfluss von Halbleiterparametern zeigen deutlich, dass schaltbedingte Oszillationen im Resonanzkreis der Kommutierungszelle entstehen und parasitäre Antennenstrukturen anregen. Dadurch wird das Störspektrum oberhalb von 30MHz maßgeblich vergrößert. Die zur selektiven Analyse des Schaltverhaltens im Frequenzbereich entwickelte Methode ermöglicht es, zwischen den Einflüssen des Ein- und Ausschaltverhaltens auf das Störspektrum zu unterscheiden. Anhand von experimentellen Parametervariationen werden so vereinfachte Modelle für die Ein- und Ausschaltoszillation extrahiert. Auf deren Basis können analytische Ausdrücke unter der Beachtung der Anfangswerte aufgestellt werden. Diese vermitteln ein grundlegendes Verständnis konkreter Ursachen der Anregung der Oszillationen. Darauf aufbauend wird in dieser Arbeit eine Optimierungsstrategie entwickelt, um Schaltoszillationen zu vermeiden. Hiermit werden die Oszillationen durch genau eingestelltes Schalten minimiert. Somit ist es möglich, mit einer mittleren Schaltgeschwindigkeit zeitgleich Schaltverluste zu reduzieren und EMV-kritische Oszillationen zu eliminieren. Für das Einschalten bedeutet dies das korrekte Einstellen der Überstromspitze. Dass dies über die Gate-Ansteuerung umsetzbar ist, wird anhand von Simulationen sowie Versuchen gezeigt. Als einfachster Ansatz stellt ein RC-Glied im Gate-Kreis das Schaltverhalten bei definierter Stromsteilheit variabel ein und führt so zu einer Eliminierung der Einschaltoszillation. Bestätigt wird dies an einem Doppelpulsversuchsstand mit CoolMOS MOSFET und SiC Schottky Diode. Eine Alternative sind aktive Treiber. Simulationsergebnisse zeigen, dass bereits ein zusätzlicher Transistor im Gate-Kreis zur Minimierung von Oszillationen im Lastkreis beitragen kann. Der Einsatz eines integrierten aktiven Treibers mit einstellbarem Gate-Profil in einem Brückenzweig mit GaN HEMTs bestätigt die Validität der entwickelten Strategie. Sowohl eine effiziente Vorgehensweise zur Erstellung eines optimierenden Gate-Profiles als auch validierende EMV-Messungen der gestrahlten Störungen werden vorgestellt. Somit zeigen sowohl Simulations- als auch Messergebnisse die Anwendbarkeit der Optimierungsstrategie und deren positiven Einfluss auf das EMV-Verhalten für unterschiedliche Schaltungen und Leistungshalbleiter.

    ISBN: 978-3-944722-95-5

    DOI: http://dx.doi.org/10.24352/UB.OVGU-2020-148

     

  • Petzold, Jörg: Analytische Beschreibung der Kopplung elektromagnetischer Felder durch Aperturen in Resonatoren
    Bd. 80 (2020)

    Die vorliegende Arbeit baut auf den Grundlagen der elektromagnetischen Feldtheorie eine neue Systematik zur Beschreibung der Kopplung elektromagnetischer Felder zwischen verschiedenen Umgebungen auf. Es wird der Halbraum und der quaderförmige Hohlraumresonator, ein Modell für typische Gerätegehäuse, diskutiert. Dabei wird eine analytische Lösung unter der Einschränkung elektrisch kleiner Aperturen hergeleitet und anhand numerischer Verfahren verifiziert. Anschließend wird das Verfahren für eine einfache elektrisch große Apertur verallgemeinert. Als Ausgangspunkt dient hierbei die Modellierung des eingekoppelten Stromes auf einem elektrisch dünnen, langen und geraden Draht. Die Integralgleichung für das elektrische Feld wird auf eine neuartige Weise durch ein Diskretisierungsverfahren gelöst. Eine der Besonderheiten der sich durch die Diskretisierung ergebenden Matrixgleichung gegenüber üblichen Lösungsverfahren ist die analytische und damit sehr schnelle Bestimmung aller Matrixelemente. Anschließend wird das Verfahren auf einen langen dünnen Schlitz in einem Hohlraumresonator übertragen. Weiterhin wird die Gesamtmatrix in Nah- und Fernwechselwirkungen separiert. Somit können verschiedene Abstrahlungsumgebungen vergleichsweise einfach berücksichtigt werden. Untersuchungen des Fernfeldes des Schlitzes zeigen, dass es möglich ist, den Einfluss der inneren Hohlraumresonanzen auf das äußere Feld effizient zu berechnen.

    ISBN: 978-3-944722-91-7

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2021-080

     

     

  • Balischewski, Stephan: Multifunktionaler Einsatz von Batteriespeichern in elektrischen Verteilnetzen
    Bd. 79 (2020)

    Der zunehmende Bedarf an Flexibilisierungsmöglichkeiten des elektrischen Energiesystems ist als direkte Folge des strukturellen Systemwandels zu sehen. Veränderungen in allen drei Bereichen des Stromnetzes (Erzeugung, Verbrauch, Transport) führen zu einer wachsenden Volatilität des Energieflusses, welche durch geeignete Maßnahmen aufgefangen werden muss. Während netzbasierte Energieüberschüsse vor allem durch Netzausbau und konventionelle Netzführung ausgeglichen werden können, verlangen marktbasierte Überschüsse mit zunehmendem Volatilitätsgrad in der Erzeugung nach Möglichkeiten der zeitlichen Verschiebung. Die Nutzung neuartiger Energiespeichertechnologien, wie Batteriespeichersysteme, ist einerseits notwendig auf Grund des fehlenden Ausbaupotentials konventioneller Pumpspeicher, aber andererseits auch mit Unsicherheiten angesichts fehlender Betriebserfahrungen im großtechnischen Einsatz und den aktuell noch hohen Investitionskosten verbunden. Die vorliegende Arbeit betrachtet den Einsatz von Batterieenergiespeichern (BES) im elektrischen Verteilnetz und ist dabei in die komplexe Auslegung und Betrieb unter jeweils verschiedenen Optimierungszielen aufgeteilt. Dies beginnt mit der Analyse der regulatorischen Rahmenbedingungen und der darauf aufbauenden Betrachtung potentieller Anwendungsfälle. Durch die Kombination unterschiedlicher Modellierungsansätze auf Zellund Batteriesystemebene wurde anschließend die Grundlage für die Bewertung ausgewählter Anwendungsfälle aus verschiedenen Gebieten sowie deren möglicher Kombination mit Zusatzanwendungen geschaffen. Des Weiteren wurde mit Hilfe eines modifizierten Zyklenzählverfahrens sowie einer auf Messwerten basierenden Wichtung entsprechend der Zyklierungstiefe ein Modell zur Nachbildung der Alterungseffekte für BES konzipiert und umgesetzt. Die Szenarien werden hinsichtlich Wirtschaftlichkeit unter Beachtung der genannten Aspekte bewertet. Die theoretischen Analysen werden anschließend im Vergleich zu einem realen Feldtest unter Nutzung einer 1 MW / 0,5 MWh-Referenzanlage betrachtet und der Speichereinsatz bewertet. Abschließend wird ein Ansatz zur Bestimmung eines online BES-Zustandsindizes, welcher auf einfachen Betriebsdaten beruht und weder zusätzliche Messdaten benötigt, noch den laufenden Betrieb beeinflusst, vorgestellt.

    ISBN: 978-3-944722-92-4

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2021-074

     

  • Chychykina, Iryna: Comparison of different redispatch optimization strategies
    Bd. 78 (2019)

    In den letzten Jahren hat die Häufigkeit des Auftretens von Engpässen in den elektrischen Übertragungsnetzen stark zugenommen, weil die Stromnetze ursprünglich für die aktu-elle Energiemenge und deren starke Schwankung nicht ausgelegt sind. Darüber hinaus bringen die weiter steigende Nutzung der erneuerbaren dezentralen Energiequellen, die zunehmende Netzkomplexität, die Abschaltung konventioneller Kraftwerke, Progno-sefehler und der starke Wettbewerb auf dem Strommarkt die elektrischen Netze immer öfter an ihre Übertragungsgrenzen. Daher ist die Gefahr von Engpässen permanent ge-stiegen, insbesondere in Mitteleuropa. Wenn ein Engpass im Stromnetz entstanden ist, sind die Übertragungsnetzbetreiber ver-pflichtet, eine geeignete Abhilfemaßnahme so schnell wie möglich anzuwenden, um ihn zu beseitigen, z. B. durch den deutschlandweit verbreiteten Redispatch. Allerdings kann diese Gegenmaßnahme hohe Kosten für die Übertragungsnetzbetreiber verursachen, die zum Schluss die Stromverbraucher zahlen müssen. Deswegen ist die Realisierung eines kosten- und technisch effizienten Redispatches ein sehr wichtiges Thema des Netzbe-triebs geworden. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit, unterschiedliche Möglichkeiten und Ansätze für eine kostengünstige Redispatchumsetzung bei Entstehung der Engpässe zu entwickeln. Dafür werden verschiedene numerische und metaheuristische Optimierungsmethoden hinsichtlich ihrer Komplexität, Effizienz, Verlässlichkeit, Detaillierung und Rechenzeit verglichen und durch ein kleines Netzmodell sowie durch ein vereinfachtes ENTSO-E-Netzmodell verifiziert. Schließlich werden die Übertragungsnetzbetreiber durch die Erkenntnisse in dieser Arbeit in die Lage versetzt, ihre Stromnetze effizienter zu betreiben, in dem der Redispatchpro-zess verbessert wird. Dabei werden die hohen Redispatchkosten, insbesondere in Deutschland, deutlich gesenkt.

    ISBN 978-3-944722-89-4

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2021-073

     

     

  • Wolter, Martin (Hrsg.): Power and Energy Student Summit 2019
    Bd. 77 (2019)

    The conference is organized especially for students in the area of electric power systems. The focus for participating students lies on gaining experience in the preparing, publishing and presenting research topics. Furthermore, the conference provides a stage for discussion of these topics with a technical audience. Throughout the conference renowned researchers and experts will support and supervise the students.

    ISBN: 978-3-944722-84-9

    DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2019-086

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