Contributions to distributed generation:

grid-supporting control of multi-source grid-tied power converters

Abstract

Die steigende Nachfrage nach sauberer und zuverlässiger elektrischer Energie hat die Forschung im Bereich verteilter Erzeugungssysteme, die erneuerbare Quellen effizient integrieren können, intensiviert. Da der Einsatz konventioneller Energien zunehmend durch Umwelt- und politische Faktoren eingeschränkt wird, treten erneuerbare Technologien wie Solarenergie, Windkraft, Biokraftstoffe, Wasserkraft und grüner Wasserstoff als nachhaltige Alternativen für moderne Energiesysteme in den Vordergrund. Die weite Verbreitung leistungselektronisch gekoppelter Erzeuger bringt jedoch Herausforderungen hinsichtlich der Spannungs- und Frequenzstabilität mit sich, insbesondere in Systemen mit geringer Trägheit und Inselnetzen. Unter den verfügba
ren Konvertertopologien werden DC-DC-Boost-Wandler gefolgt von DC-AC-Wechselrichtern häufig eingesetzt, um erneuerbare Energiequellen mit dem Netz zu koppeln. Trotz zahlreicher Fortschritte bei Multi-Input-Wandlerkonzepten stellt die gleichzeitige Erfüllung der Anforderungen an flexible Energieeinspeisung und robuste Netzunterstützung weiterhin eine große Herausforderung dar. Insbesondere müssen die Wandler dynamische Systemdienstleistungen wie Frequenz- und Spannungshaltung bereitstellen, während sie gleichzeitig hohe Effizienz und Zuverlässigkeit gewährleisten. In dieser Arbeit wird eine Familie von Impedanzquellenwandlern auf Basis des Split-Source-Inverters vorgestellt, ergänzt durch geeignete Regelungsstrategien zur koordinierten Integration mehrerer dezentraler Kleinerzeuger mit Fokus auf Anwendungen in Mikro- und Nanonetzen. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Wandlerarchitekturen, die Zuverlässigkeit, Spannungsqualität und Resilienz verbessern und gleichzeitig netzunterstützende Funktionen ermöglichen. Eine detaillierte Analyse im kontinuierlichen und diskreten Zustandsraum bildet die Grundlage für die Entwicklung eines modellprädiktiven Regelungsverfahrens zur Steuerung der Schaltvorgänge. Darüber hinaus wird eine Raumzeigeranalyse bei fester Schaltfrequenz verwendet, um die Betriebsgrenzen des Wandlers zu bestimmen und Auslegung sowie Leistungsbewertung zu unterstützen. Aufbauend auf dem Konzept der netzunterstützenden Regelung wird eine neuartige Strategie vorgeschlagen, bei der die im Zwischenkreiskondensator gespeicherte Energie für schnelle Frequenzstützung genutzt wird, wodurch koordinierte Zusammenarbeit mit größeren Speichersystemen ermöglicht wird. Das vorgeschlagene Regelungskonzept sowie die Konvertertopologien werden durch eine Kombination aus Software-in-the-Loop-Simulationen, Hardware-in-the-Loop-Experimenten und Laborprototypen validiert. Die Ergebnisse belegen eine effektive kollektive Energieeinspeisung aus mehreren unabhängigen Quellen und bestätigen das Potenzial von wechselrichterbasierten, verteilten Ressourcen zur Netzunterstützung, selbst Anbindung an größere Energiesysteme.