TY - JOUR A1 - Krishna, Ajay A1 - Schiffer, Johannes A1 - Raisch, Jörg T1 - Distributed secondary frequency control in microgrids : robustness and steady-state performance in the presence of clock drifts T1 - Verteilte Sekundärfrequenzregelung in Mikronetzen : Robustheit und stationäre Leistung in Anwesenheit von Taktdifferenzen N2 - Microgrids are distributed systems with high share of inverter-interfaced renewable energy sources where stable and reliable system operation is realized by suitably controlling the inverters. In this work, we focus on secondary frequency control, which is an important ancillary service provided by the inverters. In the literature on secondary frequency control, the effect of clock drifts has often been neglected. However, clock drifts are practically unavoidable parameter uncertainties in inverter-based microgrids and we show that the most commonly employed distributed secondary frequency controllers exhibit performance deteriorations when taking clock drifts explicitly into consideration. Motivated by this, we propose a novel alternative control law called generalized distributed averaging integral (GDAI) control, which achieves the secondary control objectives of steady-state accurate frequency restoration and proportional power sharing in the presence of clock drifts. In addition, we derive a sufficient tuning criterion in the form of a set of linear matrix inequalities (LMIs) which guarantees robust stability of the closed-loop equilibrium point in the presence of uncertain clock drifts. Finally, our analysis is validated extensively via simulation with comprehensive comparisons to other related distributed control approaches. N2 - Mikronetze sind dezentrale Systeme mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energiequellen, bei denen ein stabiler und zuverlässiger Systembetrieb durch eine geeignete Regelung der Wechselrichter erreicht wird. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die sekundäre Frequenzregelung, die eine wichtige Zusatzfunktion der Wechselrichter darstellt. In der Literatur zur Sekundärfrequenzregelung wurde die Auswirkung von Taktdifferenzen oft vernachlässigt. Taktdifferenzen sind jedoch praktisch unvermeidbare Parameterunsicherheiten in umrichterbasierten Mikronetzen, und wir zeigen, dass die am häufigsten eingesetzten verteilten Sekundärfrequenzregler Leistungseinbußen aufweisen, wenn Taktdifferenzen explizit berücksichtigt werden. Aus diesem Grund schlagen wir ein neuartiges, alternatives Regelungsgesetz vor, das als verallgemeinertes verteiltes Mittelwertintegral (GDAI) bezeichnet wird und die sekundären Regelungsziele der genauen Frequenzwiederherstellung im stationären Zustand und der proportionalen Leistungsaufteilung in Anwesenheit von Taktdifferenzen erreicht. Darüber hinaus leiten wir ein hinreichendes Entwurfskriterium der Reglerverstärkungsfaktoren in Form einer Reihe von linearen Matrixungleichungen (LMIs) ab, welches robuste Stabilität des Gleichgewichtspunktes im geschlossenen Regelkreis bei unsicheren Taktschwankungen garantiert. Abschließend wird unsere Analyse durch Simulationen und umfassende Vergleiche mit anderen verwandten dezentralen Regelungsansätzen umfassend validiert. KW - Microgrids KW - Distributed control KW - Consensus algorithms KW - Power systems KW - Secondary frequency control KW - Sekundärfrequenzregelung KW - Mikronetze KW - Robustheit KW - Taktdifferenzen KW - Wechselrichter KW - Microgrid KW - Wechselrichter KW - Taktfrequenz Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5969 ER - TY - CHAP A1 - Rueda-Escobedo, Juan G. A1 - Moreno, Jaime A. A1 - Schiffer, Johannes T1 - Finite-time estimation of time-varying frequency signals in low-inertia power systems N2 - The ongoing and unprecedented transformation of power systems leads to a reduction in the number of conventional power plants, which are the classical actuators of the grid. In addition, this development results in a decreasing system inertia, which is expected to yield faster frequency dynamics. Therefore power-electronics-interfaced units have to take over system control tasks and, in particular, frequency control. For this purpose, accurate and fast estimation algorithms for time-varying frequency signals are needed. Motivated by this fact, we propose a time-varying parameter estimator and a tuning criterion, which for sufficiently small initial estimation errors allows to reconstruct the time-varying frequency signal of a symmetric three-phase waveform in finite time. The proposed estimator is derived by using a time-varying version of the super twisting algorithm and its performance is illustrated via numerical examples. N2 - Die aktuelle und noch nie dagewesene Transformation der Energiesysteme führt derzeit zu einer Verringerung der Anzahl der konventionellen Kraftwerke, die die klassischen Stellglieder des Netzes sind. Darüber hinaus führt diese Entwicklung zu einer abnehmenden Systemträgheit, die eine schnellere Frequenzdynamik erwarten lässt. Daher müssen leistungselektronische Einheiten Aufgaben der Systemsteuerung und insbesondere der Frequenzregelung übernehmen. Zu diesem Zweck werden genaue und schnelle Schätzalgorithmen für zeitlich variierende Frequenzsignale benötigt. Aus diesem Grund schlagen wir einen Schätzalgorithmus für zeitvariable Parameter und ein Abstimmungskriterium vor, welcher es bei hinreichend kleinen anfänglichen Schätzfehlern ermöglicht, das zeitvariable Frequenzsignal einer symmetrischen dreiphasigen Wellenform in endlicher Zeit zu rekonstruieren. Der vorgeschlagene Schätzalgorithmus wird unter Verwendung einer zeitvariablen Version des Super-Twisting-Algorithmus abgeleitet und seine Leistungsfähigkeit anhand von numerischen Beispielen illustriert. T2 - Schätzung von zeitlich veränderlichen Frequenzsignalen in Energiesystemen mit geringer Massenträgheit KW - Distributed power generation KW - Frequency control KW - Parameter estimation KW - Power plants KW - Power system control KW - Frequenzsignale KW - Massenträgheit KW - Systemsteuerung KW - Transformation KW - Frequenzdynamik KW - Energieversorgung KW - Frequenzstabilität Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5988 SP - 2108 EP - 2114 ER - TY - THES A1 - Handreg, Martin T1 - Entwurf von künstlichen neuronalen Netzen zur Regelung von Prozessgrößen in einer Schmelzwanne für Flachglas T1 - Design of artifical neural networks for process control in a float glass melting furnace N2 - In der vorliegenden Arbeit wird die Eignung von Künstlichen Neuronalen Netzen hinsichtlich der Modellierung des komplexen Prozessverhaltens in einer Flachglasschmelzanlage analysiert. Die Identifikation und das Training der neuronalen Prozessmodelle erfolgen mit Messdaten einer Schmelzwanne für Flachglas. Im Vordergrund steht die Evaluation einer geeigneten Netzstruktur und die Parametrierung der Netzparameter. Dabei wird der Einfluss der einzelnen Netzparameter in Bezug auf die Genauigkeit der Netze eingehend untersucht. Anhand von Testdaten wird nachgewiesen, dass die qualitätsbestimmenden Temperaturen und der Glasstand mit Künstlichen Neuronalen Netzen hinreichend genau berechnet werden können. Auf Basis der entwickelten neuronalen Prozessmodelle wird anschließend eine modellbasierte prädiktive Regelstrategie beschrieben. Neben der Auswahl des Gütekriteriums und des Optimierungsalgorithmus zur Berechnung zukünftiger Stellgrößen werden Richtlinien zur Dimensionierung der verfügbaren Reglerparameter abgeleitet. N2 - This thesis analyzes the suitability of Artificial Neural Networks for modeling the complex process in a float glass melting plant. The identification and training of the neural process models are being carried out with real float glass furnace data. The focus is on the evaluation of an appropriate network structure and parameter configuration. With respect to the network precision the effect of parameter changes will be investigated and it will be shown that it is possible to calculate the relevant temperatures and the glass level in an accurate way. The results will be validated by test data. In the second step, a model-based predictive control strategy to determine future control signals is described and a selection of the performance criterion, the numerical optimization program and guidance for the available control parameters are given. KW - Künstliches Neuronales Netz KW - Prädiktive Regelung KW - Levenberg-Marquardt-Algorithmus KW - Flachglas KW - Schmelzprozess KW - Artifical Neural Networks KW - Predictive control KW - Algorithm of Levenberg-Marquardt KW - Floatglas KW - Melting process KW - Neuronales Netz KW - Flachglas KW - Schmelzen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-39471 ER - TY - THES A1 - Schmuck, Jörg T1 - Entwurf einfach strukturierter Regler mit Robustheitskriterien im Frequenzbereich N2 - Zentraler Gegenstand der Arbeit ist die Anwendung von Robustheitskriterien im Frequenzbereich für den Entwurf robuster Regler mit einfacher Struktur. Im Blickpunkt stehen dabei unkomplizierte Regelstrecken aus Energie- und Verfahrenstechnik. Die gemessene Sprungantwort der Regelstrecke ist Ansatzpunkt für die hier vorgeschlagene Modellierungsmethode. Bevorzugt für die Kombination von PT1-Glied als nominelles Modell und PI-Regler folgen Untersuchungen zum erreichbaren Regelverhalten und die Überführung von Zeitbereichsvorgaben in eine frequenzabhängige Wichtungsfunktion. Die Robustheitskriterien werden grafisch durch punktweise Analyse auf dem gerasterten Parametergebiet ausgewertet, worin alle geeigneten Kombinationen der Reglerparameter als Lösung markiert werden. Die Algorithmen wurden in MATLAB-Programmen realisiert. Als Anwendungsbeispiele enthält die Arbeit den Reglerentwurf für einen Neutralisationsprozess, ein instabiles System und eine Druckregelstrecke. N2 - Main issue of the thesis is the design of simply structured robust controllers using frequency domain robustness criterions for plants of process industry and power generation. Input for the modeling procedure is the step response of the plant. Due to modeling results achievable performance is determined in particular for the preferred combination of PT1-element as nominal model and PI-controller. Requirements in the time domain are transferred into a frequency domain weighting function in order to specify control objectives. Robustness criterions are analysed point by point for the set of all controller parameter value combinations in a certain rasterised range. Combinations fulfilling the criterions are marked as solution for the control problem in a diagram. The presented algorithms were programed using MATLAB functions. Its utilization is shown in the thesis for various examples such as neutralization process, unstable system and pressure plant control. KW - Reglerentwurf KW - Mehrgrößenregelung KW - Prozessregelung KW - Robuste Regelung KW - Frequenzbereich KW - H-unendlich-Methode KW - Robuste Regelung KW - Frequenzbereichskriterium KW - PI-Regler Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000659 ER - TY - THES A1 - Acquah, Michael T1 - Decentralized Rural Electrification in Ghana-Evaluation of Technical and Socio-Economic Aspects for Sustainable Solutions T1 - Dezentrale ländliche Elektrifizierung in Ghana-Bewertung technischer und sozio-ökonomischer Aspekte für nachhaltige Lösungen N2 - Rural electrification has been one of the challenges faced by the government of Ghana due to extremely high cost of electricity extension to the rural areas. In order to meet up this challenge, the government of Ghana has been keen with the introduction of renewable energy programs as a solution for rural electrification. However, most of programs are also faced with the problem of being sustainable. After government and sponsors hand-over completed project to local users, they usually last only few years of their life span and are abandoned. This challenge has inspired this study to identify the potential barriers to the sustainability of rural electrification programs through technical and socio-economic evaluation of a solar PV rural electrification project in Ghana. The approach of this study selected an on-going solar PV project (community solar system-CSS), that has been introduced on a pilot base across the whole of Ghana, which is to be adopted as a standard system for electrification solutions in rural areas in Ghana. This project was subjected to both technical and socio-economic evaluations covering 13 rural communities across the southern part of the country. Stakeholder interviews and review of literature were additional methodologies employed to gather information pertinent to the theme of the study. The results of the study show that technically, the CSS project has simple design and operational technologies, which gives it high integration potential. However, the project faces the problem of technology misuse by the rural users and frequent failure of its components. The socio-economic barriers identified are: (1) ineffective management of the project due to a long chain of bureaucratic administrative management system, inadequate monitoring and supervision, and inconsistency in standardizing the cash flow of the project, and (2) low electricity capacity of the CSS project and other similar small scale renewable projects to meet the electricity requirements of the rural populates. These problems lead to gradual decline of users’ interest for such small scale renewable energy projects and subsequently result in project abandonment. It was concluded that small scale renewable energy programs lack the capacity to fully meet the energy requirement of rural populates; however, they are crucial as intervening solutions and play key role in rural development. N2 - Dezentrale ländliche Elektrifizierung ist wegen der extrem hohen Kosten eine der großen Herausforderungen für die Regierung von Ghana. Um diese Herausforderung zu meistern hat die Regierung von Ghana frühzeitig Programme für erneuerbare Energien zur Elektrifizierung in ländlichen Regionen umgesetzt. Allerdings zeigen sich bei der Durchführung dieser Programme erhebliche Probleme bezüglich ihrer Nachhaltigkeit. Nach der Fertigstellung und Übergabe dieser Projekte an die lokalen Benutzer zeigen sich häufig technische Probleme und die Projekte werden nach kurzer Zeit aufgegeben. Diese Schwierigkeiten haben die vorliegende Studie zur Untersuchung der Ursachen und Grenzen der Nachhaltigkeit einer Elektrifizierung in ländlichen Regionen inspiriert. Insbesondere sollen in dieser Studie die technischen und sozio-ökonomischen Probleme von Projekten mit Hilfe solarer PV Elektrifizierung ländlicher Regionen in Ghana untersucht werden. Die vorliegende Studie untersucht ein zur Zeit laufendes solares PV Projekt (community solar system-CSS), eingeführt als ein landesweites Pilotprojekt in Ghana, welches zu einem Standardsystem zur Stromversorgung ländlicher Gebiete in Ghana werden soll. Das Projekt wird sowohl von technisch als auch sozio-ökonomisch Untersuchungen in 13 ländlichen Kommunen im südlichen Teil des Landes begleitet. Sowohl eingehende Befragungen der beteiligten Partner als auch eine Auswertung einschlägiger Literatur zur Gewinnung zusätzlicher Informationen werden begleitend zu diesem Projekt durchgeführt. Die Resultate dieser Studie zeigen, dass die technischen Aspekte des CSS Projektes, das auf einfach beherrschbaren Technologien bezüglich Design und Betrieb beruht eine gute Perspektiven bietet. Jedoch zeigen sich Probleme durch Fehlbedienung der technischen Komponenten und ein häufiges Versagen einiger Komponenten. Die zugrunde liegenden sozio-ökonomischen Ursachen hierfür sind: (1) ineffizientes Management des Projektes durch bürokratische Verwaltung, nicht hinreichendes Monitoring und Überwachung und eine inkonsistente, nicht kontinuierliche Finanzierung, sowie (2) eine zu niedrige elektrische Kapazität des CSS Projektes and anderer kleiner, nachhaltiger Projekte zur Sicherung der Stromversorgung für die ländliche Bevölkerung. Diese Probleme führen zu einem Verlust des Interesses an kleinskaliger erneuerbarer Energieproduktion und schließlich zur Beendigung der Projekte. Dies liegt daran, dass diese kleinskaligen erneuerbaren Energieprojekte keine hinreichende Kapazität zur Dekung des Energiedarfes der ländlichen Bevölkerung besitzen. Dennoch sind solche Projekte ein essentieller Schritt für die Entwicklung ländlicher Regionen. KW - Ghana KW - Ghana KW - Ländliche Elektrifizierung KW - Bewertung KW - Nachhaltigkeit KW - Rural Electrification KW - Evaluation KW - Sustainability Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-29999 ER -