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A continually growing demand for reliable energy supply makes existing power systems more heavily loaded and evokes engineers and experts to look for feasible immediate solutions in power energy transmission. One of these solutions might be a bulk power transmission network at extra high voltages based on direct current.
Currently, high voltage direct current (HV DC) transmission has been only realized in point-to-point systems and back-to-back arrangements. Thus, the next logical step in this development would be an HV DC network. In principle, it might have certain advantages over a conventional high voltage AC system, as it could be less closely meshed covering larger areas and transmit higher electric power with lower losses.
However, no well-grounded investigations concerning possible layout and operation of an HV DC network are publicly available. Experience from the HV DC lines does not allow to make substantial conclusions regarding the requirements for an HV DC network.
Therefore, some basic questions on the operation of an HV DC network need to be answered mainly from systems simulations.
This analysis aims at the investigation of the techno-economic RES potentials and to minimize GHG emissions in the ENTSO-E. The ENTSO-E represents one of the world’s largest economic regions with a GDP of 19,835 billion US dollar (23%) and a primary energy consumption of 29,705 TWh (18%). ENTSO-E is coined with high degrees of fossil energy dependencies (49.9%) from third-party countries and contributes 3,517 Mt CO2eq (9%) to global GHG emissions. The Primary Sources onshore wind, offshore wind, utility-scale PV, and CSP techno-economic potentials are assessed via GIS-based georeferenced spatial analysis. Solar rooftop potentials are calculated based on a per capita approach. The Secondary Sources bioenergy, hydropower, geothermal, and hydrokinetic energy potentials are approximated based on meta-analysis. Primary and Secondary Sources potentials are input into the IES linear optimization model to simulate an energy system with high shares of RES and PTX. It is found that RES-based primary energy production potentials account for 13,492 TWh and energy dependency could be reduced by 6,482 TWh to 20.5%. Compared to the base year 1990, the direct GHG emission reduction amounts to 3,246 Mt CO2eq (70.7%). This reduction does not correspond with the EU reduction target of 80–95%. Hence, RES-based fuel imports, such as synthetic fuels and hydrogen, from third-party countries become necessary, to substitute fossil fuels and reduce domestic emissions. Additional GHG reduction potentials are suspected in the indirect emission sectors agriculture and waste management. In reference to the Sankey methodology, the analysis entails comprehensive energy flow balances for the ENTSO-E 2016 and 2050 energy systems. The ENTSO-E member countries exhibit heterogeneous properties regarding RES potentials, GHG emissions, and energy dependencies, and, hence, must be assessed individually. Integrated energy systems with high shares of RES and PTX represent a promising means to decrease direct energy use and non-energy use emissions as well as energy dependencies significantly.
Das deutsche Energieversorgungssystem soll bis zum Jahr 2050 umfassend transformiert werden. Auch wenn es auf dem Pfad zur vollständigen Dekarbonisierung der Energieversorgung noch eine Vielzahl technischer Herausforderungen gibt, ist davon auszugehen, dass an der politischen Ambition einer treibhausgasneutralen Energieversorgung bis spätestens zum Jahr 2045 festgehalten wird. Klimaschutz ist jedoch nur eine Dimension im Spannungsfeld Energiewende. Es gilt, Ökologie, Wirtschaftlichkeit, technische Realisierbarkeit und Versorgungssicherheit sowie gesellschaftliche Aspekte in Einklang zu bringen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen wissenschaftlichen Beitrag zur Untersuchung eines durch erneuerbare Energieanlagen dominierten Energieversorgungssystems im Jahr 2050 zu leisten. Die Einspeisung elektrischer Energie aus Wind- und Photovoltaikanlagen unterliegt jedoch hohen Fluktuationen. Aus diesem Grund sind im zukünftigen Energieversorgungssystem hohe temporäre Energieüberschüsse und -defizite zu erwarten.
Eine mögliche Lösung könnte hierfür die Sektorenkopplung darstellen. Die vollständige Kopplung dieser Sektoren würde es ermöglichen, hohe Energieüberschüsse sinnvoll zu verwenden oder auftretende Energiedefizite auszugleichen. Bedingt durch die fluktuierende EE-Einspeisung sind die Potenziale zur Nutzung von überschüssiger elektrischer Energie in anderen Energie- und Wirtschaftssektoren im Zeitverlauf jedoch nicht konstant. Aus diesem Grund erscheint es sinnvoll, die Diskussion über Sektorenkopplungspotenziale auf zeitlich und räumlich aufgelöste Untersuchungen zu stützen. Ohne die Prognose und Modellierung von zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Einspeise- und Lastzeitreihen ist es nicht möglich, zielführende Aussagen über Sektorenkopplungspotenziale und eine bedarfsgerechte Energiebereitstellung im zukünftigen Energieversorgungssystem zu treffen.
Zur Quantifizierung und Prognose zukünftiger Sektorenkopplungspotenziale wurde im Rahmen dieser Dissertation ein vielseitig einsetzbares Energiemodell entwickelt und detailliert vorgestellt. Hierbei handelt es sich um eine modular aufgebaute, Microsoft Excel-basierte Lösung in Verbindung mit Visual Basic for Applications. So ist es möglich, das Modell auf jedem modernen Windowssystem ohne weitere Software zu verwenden. Das Energiemodell wurde anschließend auf eine geeignete Modellregion für das Jahr 2050 angewendet. Im Energiemodell werden elektrische Erzeugungs- und Lastzeitreihen in stündlicher Auflösung für bis zu 200 Modellknoten (räumliche Auflösung) ermittelt, miteinander verrechnet und auf mehreren Modellebenen aggregiert. Am Beispiel der gewählten Modellregion konnten so die Sektorenkopplungspotenziale im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse umfangreich diskutiert werden. Damit war es möglich, die Forschungsfragen dieser Dissertation detailliert zu beantworten.
Sicherheitsbetrachtungen im Fall von stromstarken Erdfehlern in NOSPE-Netzen und bei Netzkopplung
(2019)
Der von der Energiewende-bedingte Verteilnetzausbau mit Kabelstrecken beeinflusst den Umgang mit der Sternpunktbehandlung. Neben klassischen Umstellungsmaßnahmen sind neue Lösungen zur Kopplung von Netzen mit unterschiedlicher Sternpunktpunkterdung zu diskutieren. Schwerpunkt stellt jeweils die Auslegung von Erdungsanlagen in Kombination mit einem geeigneten Schutzkonzept zur Einhaltung der Personensicherheit dar.
Auf Basis der DIN EN 50522 ist ein mögliches personengefährdendes Potential zu bewerten, welches aus der Stromverteilung an der Fehlerstelle resultiert. In der Praxis wird dabei rechnerisch die zulässige Erdungsimpedanz über den relevanten Teilstrom (dargestellt über den Reduktionsfaktor) und dem, aus dem Schutzkonzept resultierenden, Grenzwert für die Berührungsspannung vorgegeben und messtechnisch geprüft. Vorrangig in Mittelspannungsnetzen mit niederohmiger Sternpunkterdung bestehen Unsicherheiten in der korrekten Interpretation der Norm respektive der Wahl und Beurteilung geeigneter Parameter. Die Dissertation konzentriert sich auf die Schwerpunkte Bestimmung des Reduktionsfaktors in einer inhomogenen, offen betriebenen Ringstruktur von Mittelspannungsnetzen, sowie Diskussion möglicher Modelle und der Wirkungsweise heutiger Messverfahren von Erdungsimpedanzen.
Aufbauend auf theoretischen Modell-Analysen wurde eine Methodik zur Auswertung beider Parameter u. a. durch Aufnahme einer Stromverteilung in einem Erdkurzschlussversuch entwickelt und erstmals in einer Netzgruppe durchgeführt. Die Herausforderung bestand darin, Lösungen zum eindeutigen messtechnischen Nachweis beider Parameter infolge von Überlagerungseffekten zu entwickeln. Mithilfe der Versuchsergebnisse konnten bestehende Berechnungs- und Messverfahren sowie unterschiedlichen Modelle zur Interpretation der Erdungsimpedanz bewertet und Handlungsempfehlungen abgeleitet werden.
Reduktionsfaktor und Erdungsimpedanz erfahren verschiedene Interpretationen in der Praxis. Daher widmete sich die Dissertation der Analyse des Modells der DIN EN 50522 und schlägt aufgrund der Herausforderungen in der Praxis eine Erweiterung zur eindeutigen Definition vor.
Erstmalig konnten anhand des Versuchs die Modellansätze von Berechnungsverfahren für den Reduktionsfaktor geprüft und bestätigt werden. Am Beispiel des VPE-Kabels konnte mit einem Sicherheitsaufschlag ein Planungswert vorgeschlagen werden.
Auf Basis des Versuchs und der heutigen Messverfahren wurde diskutiert, dass die Erdungsimpedanz infolge der unterschiedlichen Einbeziehung von Kettenleitern verschiedene Werte annehmen kann. Aufgrund des Zusammenhangs mit dem Reduktionsfaktor resultieren für die Bewertung der Berührungsspannung Kombinationspaare, die nach dem Modell der DIN EN 50522 oder Modifizierungen in der Berechnung ausgelegt und mittels klassischer Messung bewertet werden können. Die Dissertation liefert damit einen Diskussionsbeitrag, wie sich die Auslegung von Erdungsanlagen durch geeignete Verfahren weiterentwickeln kann.
Der stete Zuwachs des Erzeugungsleistungs- und Energieaufkommens aus erneuerbaren Energien (EE) wirkt sich immer deutlicher auf die elektrischen Energieversorgungsnetze aus. Die Folge: Hohe Leistungsgradienten der Erzeugung und kritische Auslastungsgrade der Übertragungs- und Verteilnetze. Räumlich verteilte Energiespeicher können helfen, die EE besser zu integrieren und resultierende negative Effekte zu egalisieren.
Der durch die Bundesregierung proklamierte Entwicklungsplan der sog. Energiewende fordert eine deutliche Zunahme des Anteils der EE und der Elektromobilität. Diese auch zukünftig gewünschte Entwicklung könnte die gegenwärtig betriebenen Energieversorgungsnetze weiter stärker belasten.
Die vorliegende Arbeit bietet einen möglichen Lösungsbeitrag der Elektrofahrzeuge als Speichertechnologie für die Bewältigung der Herausforderung der netzverträglichen Integration von EE und Elektromobilität. Hierzu wird ein Konzept zur Einbindung mobiler Speicher (Elektrofahrzeuge mit V2G-Fähigkeit) vorgestellt. Dieses Konzept wird in einem Reallabor an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg evaluiert. Insbesondere die Informations- und Kommunikationstechnologie zwischen Elektrofahrzeug, Ladesäule und einem Aggregator wird eingehend betrachtet, denn sie bildet einen Grundpfeiler der Nutzbarmachung mobiler Speicher.
Hinsichtlich der eingesetzten prozessualen Intelligenz zur Bewältigung nötiger Verfahren und Methoden werden ein Lademanagementsystem für die Ladesäulen und ein Energiemanagementsystem für den Aggregator eingeführt. Beide lassen die externe Verwaltung der Prozesse durch einen Betreiber zu. Es folgt eine Untersuchung der empirischen Verfügbarkeit der Elektrofahrzeugflotte während eines mehrmonatigen Betrachtungszeitraumes. Die Auswertung und Analyse dieser Verfügbarkeit liefert konkrete Ergebnisse hinsichtlich einer Abschätzung zukünftiger Nutzungspotentiale eines mobilen Speichers. Abschließend werden zu erwartende Auswirkungen der Nutzung der mobilen Speicher auf die kalendarische sowie zyklische Alterung der Traktionsbatterie diskutiert.
A Simulation analysis to improve the dielectric strength inside High Voltage Vacuum Interrupters
(2015)
Vacuum circuit breakers are expected to be one of the possible alternatives for SF6 circuit breakers in transmission voltages up to 230kV because of the excellent insulation as well as environmental friendly characteristics of vacuum. But for higher voltages, maintaining the electrical insulation inside and outside the interrupter tube is very important and becoming a challenge for the design engineers. Normally a vacuum interrupter consists of metal shields sandwiched between the ceramic insulator blocks inside the tube. The primary purpose of these metal shields is to protect the insulator walls by avoiding metal vapor deposition during the arcing process. On the other hand, these metal shields also influence the electric field distribution inside the interrupter tube. The presence of the metal shields may reduce the dielectric strength of the interrupter tube if proper measures are not taken.
This research is devoted to provide the information about the possible areas inside and outside the interrupter tube that are considered as critical in terms of dielectric strength because of the presence of metal shields. Possible solutions are also given in this thesis to overcome the high field stress in these critical areas with the help of 2D simulations that are simulated in ANSYS Maxwell.
The critical areas and their respective solutions presented in this work are (1) unidentified edges outside the interrupter tube which are formed by the metal shields that are inserted between the ceramic blocks. These edges, at high field stress, may act as a source of discharges between the interrupter tube and the outer insulator. This problem can be reduced by the combination of using a pressurized insulating gas (which is in this case N2) between interrupter tube and outer insulator and by extending the unidentified edges and covering them with field grading rings which are conductive in nature. (2) Triple junctions (Vacuum-Ceramic-Metal shield) are the sources of high field stress inside the interrupter tube and are considered as a primary source of Secondary Electron Emission Avalanche that takes place on the (3) ceramic surface. The triple junction emissions can be avoided by properly designing the insulator geometry at point of contact with the metal shield. In addition, inserting metal parts of certain depth at the both ends of the ceramic insulators can also reduce the field stress at the triple junctions and avoid surface flashovers on the ceramic surface. (4) The gap between the metal shield and the contact rod is also considered to be a critical area which can be highly stressed (field) if the geometry of metal shield curvature is not properly designed. Various metal shield curvatures are proposed and simulated and an optimum geometry is suggested that reduces the electric field stress between the metal shield and contact rod. Using this optimized metal shield curvature, the diameter of the interrupter tube can be reduced considerably which in turn reduces the size of the interrupter tube.
Die Vielfalt der Materialien, die in der Lage sind Strom zu führen, hat sich um elektrisch leitfähige Kunststoffe erweitert. Diese Materialien haben vergleichsweise günstige Eigenschaften, wie z.B. eine geringe Dichte und hohe Wetterbeständigkeit. Trotzdem beschränkt sich zurzeit der Einsatz dieser Materialien wegen Stromübergangsproblemen auf geringe elektrische Leistungen. Um solche Materialien auch für hohe Betriebsströme einsetzen zu können, ist eine zuverlässige Kontaktierung erforderlich. Dieser Beitrag behandelt die Kontaktierung zwischen stromtragfähigem Kunststoff und Metall. Ein wesentlicher Teil der Arbeit beschäftigt sich mit potenziellen Ursachen von Kontaktierungsproblemen, die weiterhin am Beispiel von elektrisch leitfähigem Silikonkautschuk analysiert werden. Bei der Suche nach Ursachen für diese Probleme werden mechanische, thermische und elektrische Aspekte sowie deren Zusammenhänge in Betracht gezogen. Da die Technologie in wesentlichem Maß die physikalischen Eigenschaften bestimmt, wird deren Einfluss ebenfalls analysiert. Neben der theoretischen Betrachtung wurden vielfältige Untersuchungen zu diesen Aspekten durchgeführt, und deren Relevanz für die Stromübergangsprobleme ermittelt. Daraus ließ sich am Ende die Ursache der Stromübergangsprobleme ableiten. Ausgehend von den gewonnen Ergebnissen und unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften von leitfähigem Silikonkautschuk wird eine Verbesserungsmöglichkeit zur Kontaktierung vorgestellt. Sie basiert auf einer Modifikation der Oberflächen, speziell deren Metallisierung. Hierbei hat sich das Magnetronsputtern, Metallisierung von Werkstoffen im elektromagnetischen Feld unter Vakuum, als am besten geeignetes Verfahren erwiesen. Nach der Beschichtung der Oberfläche des leitfähigen Silikonkautschuks mit Aluminium bzw. Titan hat sich der Stromübergang und damit auch die Stromtragfähigkeit wesentlich verbessert. Anschließend werden die Ursachen für diese Verbesserung erklärt und die elektrische Belastbarkeit vor und nach der Oberflächenmodifikation ausgewertet. Die Arbeit gibt Hinweise auf weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Stromtragfähigkeit, zeigt somit weiteren Untersuchungsbedarf auf.
In dieser Arbeit wurde demonstriert, dass der Umstieg von konventionellen Methoden der Energieerzeugung auf modernere Konzepte möglich ist, die eine hohe Versorgungssicherheit und Zuverlässigkeit aufweisen, wirtschaftlich zu betreiben und dabei wesentlich umwelt- und klimafreundlicher sind. In diesem Konzept wurden verschiedene erneuerbare Technologien der Energieerzeugung einbezogen, um eine sichere und zuverlässige Energieeinspeisung zu gewährleisten, ohne dass die Notwendigkeit der Anbindung an ein Übertragungsnetz besteht. Zentraler Bestandteil des Konzepts ist es, elektrische Energie in chemisch gebundener Form (Wasserstoff) zu speichern und bei Bedarf jederzeit in elektrische und thermische Energie umzuwandeln. Dadurch kann in dieser Anlage eine effiziente Energieerzeugung erfolgen. Die Anwendung von Wasserstoff als Sekundärenergieträger ist vielversprechend und erlaubt ein „Energie nach dem Bedarf“-Konzept anzuwenden, um die Energie effizient und wirtschaftlich zum Verbraucher liefern. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann mit ca. 60% elektrisch und 85% thermisch angesetzt werden (wobei der Wirkungsgrad bei Anlagen mit größeren installierten elektrischen Leistungen ab 10 MW weiter ansteigt). Damit ist es eine gute Alternative zu konventionellen Arten der Energieerzeugung. Der modulare Aufbau und der geringe Platzbedarf erlauben es, die autarke EE-Anlage in der Nähe der Verbraucher (Stadt, Siedlung) einzurichten. Selbstverständlich sind noch umfangreiche Forschungen notwendig, um das gesamte Energieversorgungssystem mit der Transport- und Verteilungstechnologie zu erfassen.
This PhD project started from one basic question: whether vacuum technology can be applied to 145kV electrical power system networks as a potential substitution to SF6 technology which has been utilised for decades of practice, due to environment and economic concerns. Possible threats and challenges, which might cause problems for the proposed replacement, are identified mainly in three areas: (1) small inductive current switching, (2) capacitive load current switching and (3) short-line fault switching. Three circuit-breaker programming models, therefore, have been developed based on statistic data provided by breaker manufactures: (1) a maximum di/dt fixed model which has been utilised for small inductive current switching tests and capacitive load current de-energising tests; (2) a dynamic di/dt model adopting from Mayr’s classic arc model for SF6 circuit-breakers which has been utilised for short-line fault tests; and (3) a current making model for capacitive load current energising tests. In a general conclusion, vacuum technology shows its superiority in most of the switching duties although in some rare cases, SF6 technology still stands a chance to break it even. But if we take the environment and economic factors into consideration, vacuum is definitely worth investigating in the future market.
For several decades HVDC technology was used primarily for point-to-point bulk power transmission. Although multiterminal HVDC systems are very few in number, it is expected that multiple HVDC links may be interconnected into HVDC transmission grid. Since every meshed grid requires reliable protection solution, an HVDC circuit breaker must be developed and introduced. This thesis focuses on the performance evaluation of different HVDC circuit breaker concepts. The performance evaluation study is carried out by means of numerical simulations. The obtained quantitative results describe capabilities and limitations of different HVDC circuit breaker concepts as well as the reaction of HVDC network on switching operations. Different converter protection measures and in particular application of fault current limiter were considered, too. Based on the research findings, a number of recommendations for HVDC circuit breaker development are given and suggestions for further research activities are presented.
The Electric power crisis is one of the major problems in Bangladesh, the gap between demand and generation is increasing day by day. Moreover, most of the power plants are gas based which will be phased out in future. An alternate electric supply is an essential part for electrifying the developing countries, in this context an innovative approach of rural electrification including DC microgrid, mini-grid and nanogrid would be technically and economically feasible. The thesis draws also attention on the development of technology which enables community owned power system to emerge in the rural areas based on distributed SHS and demand of that community.
Firstly, the electric status and renewable potential in Bangladesh are studied and considered those data into the software based simulation to analysis the technical feasibility to implement DC microgrid by Homer pro tools. The distributed RES (Renewable Energy sources) considered solar PV and biomass. The booming of a large number of individual SHS (Solar Home System) in Bangladesh, bottom-up energy sharing concept would have studied to configure the optimal design of microgrid system and different configuration including grid connected and DC and AC system studied.
Secondly, The PV module is highly dependent on cell temperature and solar irradiance, the ambient temperature, and solar irradiance mathematical equation have been considered to model and simulate in MATLAB/SIMULINK based environment. Similarly charge controller, battery operation, and performance analysis with respect to the PV model. In the distributed energy sources are mainly SHS including large size and regular also model and simulate in MATLAB/SIMULINK software. For instance, the thesis mainly focuses on an optimal design, planning, sizing of DC hybrid microgrid, the SHS, and biomass-based power system with the goal of maximizing the efficiency and reliability. Homer Pro tool used in the work for design an optimal configuration and sizing for technical feasibility.
Finally, a model of DC microgrid compresses with micro sources like SHS systems, µ-CHP, the household loads model in MATLAB/SIMULINK. Decentralized SHS control strategies (droop control) and operation also design and model in MATLAB/SIMULINK environment, where DC – DC converter needs to couple SHS and DC microgrid.
Die derzeit verfügbaren Modelle zur Simulation von transienten Vorgängen in Asynchronlinearmaschinen sind entweder zu ungenau, zu angepasst oder zu langsam. Weder die Analyse des Antriebes mit der Finite-Elemente-Methode noch die Anwendung von herkömmlichen Zweiachsmodellen spiegeln die Vorgänge in der Maschine ausreichend wider. Die Entwicklung eines mathematischen Modells, welches die genannten Nachteile nicht aufweist, ist Gegenstand dieser Arbeit. Ausgehend von einem dreiphasigen Modell werden die Differentialgleichungen und die Bewegungsgleichung des Antriebes aufgestellt und am Beispiel eines Wirbelströmläufers Hinweise zur Parametrierung des Modells gegeben. Es erfolgt ein Vergleich zwischen Rechnung, FEMAnalyse und Messung am Beispiel eines konkreten Motors.
With the large-scale expansion of decentralized power generation from renewable energy resources (RES) and reduction of fossil fuel-based power generation, this leads to fundamental structural changes in the power supply system. The transition is characterized by a shift from central to decentral, from directional to bi-directional. As the share of renewable power systems in the electricity grid increases, the inherent uncertainty of renewable energies poses challenges to the grid system’s stability.
To achieve increased efficiency, decarbonisation, decentralization, and digitisation in energy sector, a flexible and resilient energy system is required. Electrical energy data and non-electrical energy data are generated from various sources, including the supervisory control and data acquisition system (SCADA), geographic information system (GIS), and weather information system. Based on these data, different spatial and temporal models of energy systems and their databases are created and connected. This thesis contributes to the analysis of regional power performance. To this end, an efficient simplified grid-oriented network cluster is presented to account for the regional allocation of RES power systems. The model clustering includes the grid topology, temporal and spatial resolution, and the structure of electrical and non-electrical data. This approach contributes to methodological aspects of energy system modelling and analysis.
In addition, based on the proposed cluster model, this thesis presents the physical profile-based and data-driven methods to estimate the regional large-scale photovoltaic (PV) and wind power generations. In order to adapt to the spatial-temporal heterogeneity of the regional renewable power generations and to improve the local power utilization rate, this thesis conducts empirical analyses of the regional energy storage and combined PV and wind power systems using cable pooling with shared grid connection.
In summary, this thesis presents a flexible modelling approach that takes into account the regional allocation of renewable power systems and enables a more accurate estimation of regional power generation. The proposed model and analytical methods can help the efficiency and resiliency of the energy system and support the transition towards renewable energies.
The use of renewable energy sources, either off-grid or on-grid to supply electricity, has been done by developed countries since many years ago. Developing countries, for example Indonesia especially east part of Indonesia have recently started this way whereas renewable energy potential for example hydro, PV and wind are abundantly available. The lack of research and data is one of the obstacles to precede the use of renewable energy in this area, meanwhile this area has electricity shortages problem that occurred quite often.
Combined hydro, PV, wind, coal and diesel generators will solve electricity shortages problem in Palu (Indonesia). Integration of Hydro, PV and wind into PALAPAS utility grid will decrease levelized cost of energy from US$ 0.145 per kWh to US$ 0.133 per kWh. Sensitivity analysis against fluctuating fuel cost (from US$ 0.4 per litre to US$ 1.6 per litre) will increase levelized cost of energy before integrating renewable energy into the grid from US$ 0.145 per kWh to US$ 0.455 per kWh and will increase levelized cost of energy after integrating RE into the grid from US$ 0.133 per kWh to US$ 0.403 per kWh.
Repowering grid with integrating hydro, PV and wind will increase power quality especially by using configuration based on homer results. Buses voltage and buses frequency showed better result before, during and after some faults based on Homer simulation results. Voltage spectrum and sinusoidal waveform voltage are showing less distortion after integrating hydro, PV and wind into the grid even with no distortion based on Homer results.
Zur Einhaltung der Dekarbonisierungsziele und Bewältigung der Herausforderungen bei der ganzheitlichen Transformation des Energiesystems im Kontext der politisch geforderten Energiewende, ist zunehmend der Begriff Sektorenkopplung zu verzeichnen. Eine wesentliche Rolle nimmt dabei die auf den Begriff Power-to-X (P2X) zusammengefasste Elektrifizierung der Sektoren Gas, Wärme, Kälte und Mobilität ein. P2X-Energiewandler und die damit einhergehende Nutzung Erneuerbarer Energien (EE), z.B. aus Photovoltaik (PV) und Wind, sind aufgrund der volatilen Stromerzeugung der EE-Anlagen als dargebotsabhängige Energiewandlung zu verstehen. Aus diesem Grund werden P2X-Energiewandler mit sektoralen Energiespeichern und flexiblen bedarfsgerechten Energiewandlern hin zu sektorenübergreifenden Energiespeichern aggregiert. Diese sind nicht nur in der Lage den Herausforderungen eines zunehmend aus EE bestehenden Energieversorgungssystems (EVS) entgegenzuwirken, sondern einen Beitrag zur sektorenübergreifenden Energiebedarfsdeckung und Dekarbonisierung zu leisten.
In diesem Zusammenhang ist in den vergangenen Jahren auf dem Campus der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) eine Forschungs- und Demonstrationsanlage entstanden, welche sektorale und sektorenübergreifende Energiespeicher topologisch lokal aggregiert und hinsichtlich der Netzbetriebsführung verknüpft. Dieser dezentrale Anlagenverbund bietet eine herausragende Möglichkeit, einen sektorenübergreifenden Betrieb der dezentralen EVS auf lokaler Ebene zu untersuchen.
Als Forschungsgegenstand und Teilsystem der Forschungs- und Demonstrationsanlage gilt im Folgenden der sektorenübergreifende Energiespeicher bestehend aus den Technologien der Kraft-Wärme-Kopplung, Power-to-Heat und einem thermischen Energiespeicher. Dieser Anlagenverbund wird innerhalb der Systemgrenzen eines Microgrid unter größtmöglicher Nutzung erneuerbarer Energien am Beispiel der PV untersucht. Ein Simulationsmodell erweitert diesen Forschungsgegenstand und zielt auf modellgestützte Untersuchungen zur Planung und zum Betrieb des sektorenübergreifenden Energiespeichers, insbesondere zur stromnetzdienlichen Systemintegration. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im Folgenden dargestellt und gelten als Beitrag zur Systemintegration von sektorenübergreifenden Energiespeichern in die lokale dezentrale Energieversorgung.
In der Arbeit wird die Neue Direkte Spannungsregelung von dezentralen Erzeugungsanlagen in der PowerFactory Simulationsumgebung von der DIgSILENT GmbH implementiert und das Stabilitätsverhalten dieser Anlagen in Verteilernetzen untersucht. Die Herleitung der mathematischen Modelle erfolgt im Laplace-Bereich und gibt die Möglichkeit her, neben ihrem Einsatz in Netzberechnungssoftware, die Auslegung und Optimierung der Regelung des gesamten Netzmodells zu berechnen. Die Ableitung der Regelungsmodelle der Wind-, Solar und statischen Generator-Anlagen erfolgt dabei in der Raumzeigerdarstellung im dq-Koordinatensystem. Mit Hilfe der Raumzeigerrechnung können elektrische Größen in Drehstromverbrauchern schnell berechnet und anschaulich im stationären Zustand als Gleichgrößen dargestellt werden.
Der erste Teil der Arbeit behandelt die Auswahl der Netztopologie und Netzmodelle in der Power Factory Simulationsumgebung. Die ausgewählten Benchmark-Modelle sind synthetische 110-kV-Verteilernetze, die vorgelagerte Höchst- und nachgelagerte Mittelspannungsnetzmodelle beinhalten.
Im zweiten Teil wird die Neue Direkte Spannungsregelung der dezentralen Erzeugungsanlagen implementiert. Die Regler werden unter Verwendung geeigneter Auslegungsverfahren, wie dem Betragsoptimum, hinsichtlich des dynamischen Führungsverhaltens eingestellt.
Im dritten Teil wird ein worstcase betrachtet. Hier geht es um ein simuliertes Splitting-System Szenario. Ein großer Teil des Verteilernetzes trennt sich und bildet ein Inselnetzwerk. Das dabei entstehende Leistungsungleichgewicht, ein Sprung von ungefähr 5 bis 10 GW, soll durch die Spannungsregelung ausgeglichen werden.
Jede elektrische, elektronische Komponente für Kraftfahrzeugsanwendungen muss auf Komponentenebene und nach der Montage im Fahrzeug die elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Emissionsanforderungen gemäß Normen erfüllen.
Die Entwicklung von Konzepten der elektromagnetischen Verträglichkeit für ein elektrisches Kraftfahrzeug erfordert ein gründliches Verständnis der elektromagnetischen Kopplungsmechanismen des Hochvoltsystems. An einen Elektroantrieb werden vielfältige Anforderungen gestellt. Daraus ergibt sich eine eingeschränkte Handlungsfreiheit zum Erreichen der elektromagnetischen Verträglichkeit. Daher ist es im Entwicklungszyklus nötig, Ressourcen mit Kenntnis der elektromagnetischen Verträglichkeit frühzeitig zielgereicht einsetzen zu können. Hierbei gilt es Designparameter frühzeitig festzulegen und bereits dabei eine Ergebnisbewertung vornehmen zu können.
Die Wellenlängen der dominanten Spektren elektromagnetischer Störungen von Spannungsquellenpulswechselrichtern im Vergleich zu den geometrischen Abmaßen eines normal großen Fahrzeugs fallen in den Nahfeldbereich. Dies ermöglicht einen quasistationären Ansatz, bei dem das elektrische Feld und das Magnetfeld getrennt untersucht und analysiert werden können.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der gestrahlten Magnetfeldkopplung in einem Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb.
Üblicherweise erfordert ein Elektroantrieb für seinen Betrieb funktionale Ströme höherer Größenordnung. Das pulsweitenmodulierte Spannungsschalten der leistungselektronischen Wandler, z.B. bei Pulswechselrichter und Gleichstrom (DC)/DC Wandler, verursacht zusätzlich zu den funktionalen Strömen auch parasitäre Ströme. Diese werden durch Spannungsänderungen am Ausgang der Leistungselektronik erzeugt, die die verteilten Kapazitäten z.B. Statorwicklung zu Rahmenkapazität der elektrische Maschine, anregen. Diese Ströme führen zu Magnetfeldemissionen, an die strenge Anforderungen auf Fahrzeugebene gestellt werden.
Abschirmungen werden systematisch zur Verringerung der abgestrahlten Emissionen bei elektrischen Antriebsanwendungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, so auch für die Hochvoltkabel. Die relativ geringen Mengen einer nicht idealen Kabelschirmung sind aufgrund des hohen Grades an abgestrahlten Emissionen von Bedeutung. Folglich sind die Schirm- und Masseschleifenströme, d.h. die Schirmwirkung, entscheidend für die Magnetfelder. Neben diesen Stromverteilungen sind die Magnetfelder wesentlich von der Geometrie der Hochvoltkabelführung und dem Frequenzbereich abhängig.
In dieser Arbeit werden drei Arten von Schirmungskonzepten für Hochvoltkabel mittels analytischer Modellierung betrachtet. Die drei Schirmungskonzepte sind einzeln geschirmte Kabel in koaxialer Ausführung, mehradrige geschirmte Kabel in Summenschirmausführung und ungeschirmte Kabel mit parallelem Massedraht als Schirm. Die erstellten analytischen Modelle werden genutzt, um die gestrahlten Magnetfeldemissionen vorherzusagen. Ein Vergleich zur Bestätigung der Anwendbarkeit der analytischen Modelle für ein Elektroantriebssytem wird vorgestellt. Die Wirkung der verschiedenen Schirmungskonzepte für das Kraftfahrzeug wird dargelegt.
Das elektrische Energieversorgungssystem in Europa, insbesondere in Deutschland, unterliegt vor allem seit der Verabschiedung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes im Jahre 2000 enormen Veränderungen. Die über viele Jahre gewachsene Struktur einer zentralen Energieeinspeisung durch konventionelle Kraftwerke löst sich zunehmend auf, getrieben durch den Ausstieg aus der Atom- sowie der Kohleenergie und es bildet sich ein dezentrales Energieversorgungsnetz, welches durch die Energieerzeugung aus erneuerbare Energien, allen voran Windenergie- und Photovoltaikanlagen, geprägt ist. Wesentliche Gründe dieser Veränderungen sind politische und regulatorische Rahmenbedingungen sowie der technische Fortschritt im Bereich der Erzeugung, Verbrauch und Übertragung von Energie.
Durch diese Wandlung des Energieversorgungssystems werden die Netzbetriebsführer zunehmend vor kritische Situationen gestellt, da die fluktuierende Einspeisung der erneuerbaren Energien nicht präzise vorhergesagt werden kann und somit Einspeisung und Verbrauch nicht mehr im Gleichgewicht sind. Dieses Defizit erreicht vermehrt eine Größenordnung, die durch Regelleistung nicht mehr ausgeregelt werden kann und ein Eingreifen der Netzbetriebsführer in das Energieübertragungsnetz nach sich zieht. Damit diese kritischen Situationen von den Netzbetriebsführern zu jeder Zeit beherrscht werden können, ist es nötig, das Personal für solche Szenarien zu qualifizieren. Dabei bedarf es Forschungsarbeit, um diese Qualifizierung an Simulator gestützten Schulungen mit geeigneten Netzmodellen und Szenarien sicherzustellen. Dabei muss die Interaktion und Kommunikation zwischen den Netzbetriebsführern zentraler Bestandteil einer solchen Schulung sein. Insbesondere bei Netzwiederaufbau Szenarien ist die Einhaltung einer präzisen Kommunikation unter Berücksichtigung von Meldeketten und Weisungsberechtigungen.
In dieser Arbeit wird solche eine Schulung unter Anwendung didaktischer Methoden ausarbeitet sowie Netzmodelle entwickelt, welche die Grundlage sind, um an einem solchen dynamischen Netzsimulationssystem Netzbetriebsschulungen durchzuführen. Darüber hinaus werden verschiedene Szenarien erstellt, um die unterschiedlichsten Aspekte der Netzbetriebsführung unter Einbeziehung von Netzbetriebsführern, Studierenden und Meister zu schulen.
A cellular approach to optimize the integration of renewable generation into distribution networks
(2022)
The steady growth of the renewable-based technologies in the last twenty years has changed the character of the power systems significantly. Until today, there are more than 112 GW installed photovoltaic and wind parks in Germany and around 90% of the installed renewable generators are integrated into distribution networks. As a result, distribution networks are often facing congestion problems and more investments are needed for the required network development plans.
The political decisions in Germany for increasing the share of renewables in electricity consumption up to 65% until 2030 and the nuclear phase out until 2022 and further shutdowns of the coal power plants raised serious concerns about the reliability of power supply and feasibility of the transition plan.
The present dissertation has a look over the recent developments and offers a methodology for reduction of the resulted costs from further integration of renewable generators into the distribution networks. The suggested methodology is based on a cellular approach and helps also to postpone the unnecessary costly network expansions. Furthermore, it helps to integrate the renewable generators in an optimized way which has an added value to move towards the defined sustainability goals.
The proposed methodology has two steps. The first step is made up of the cellular approach and grey wolf optimization in MATLAB environment. In this step, the optimal combination of technologies for fulfillment of the defined goals are found out. The second step consists of the quasi dynamic simulations in PowerFactory environment. In this step, the suggested results from MATLAB optimization are investigated in semi-real situations. With the quasidynamic simulations, it is checked whether the results are tolerable from the point of view of network operation and whether it is possible to facilitate the network operation with certain strategies.
In der Dissertation werden neue Potentiale und Anforderungen sowie neue Verfahren und Methoden zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen erarbeitet. Der Fokus wird dabei auf das Wirkleistungsmanagement im Verteilnetz gelegt. Bei einer zunehmenden Durchdringung von Erneuerbaren Energien steigt der gegenseitige Einfluss mit den technischen Systemen im Netzbetrieb und bestehenden sowie zukünftigen Märkten. In der Arbeit werden organisatorische und technische Lösungen entwickelt, welche eine sichere Bereitstellung von Regelleistung sowie eine Unterstützung durch den Verteilnetzbetreiber für ein systemdienliches Engpassmanagement des Übertragungsnetzbetreibers ermöglichen.
Anhand eines 110-kV-Modellnetzes werden die technischen Lösungen aufgezeigt und bewertet. Dabei zeigt sich, dass eine erweiterte Betriebsplanung im Verteilnetz notwendig wird. Mögliche Konflikte können im Vorfeld durch eine Netzzustandsbewertung und Informationsübermittlung gelöst werden. Weiterhin können Anforderungen des ÜNB zur Unterstützung zum Redispatch im Rahmen einer Vortagesplanung integriert werden. Zur Realisierung der Prozesse und somit Erfüllung der neuen Anforderungen sind zum Teil technische Ände-rungen in den Systemen der Netzführung sowie organisatorische und rechtliche Anpassungen in der Handhabung des Engpassmanagements notwendig. Hierzu werden in der vorliegenden Arbeit konkrete Empfehlungen ausgesprochen.
Hochspannungs-Leistungsschalter vermögen den Kurzschlussstrom nur in seinem Nulldurchgang zu unterbrechen. Es ist also der jeweilige Fall daraufhin zu untersuchen, ob es bei generatornahen Kurzschlüssen zu Stromnulldurchgängen kommt, oder ob dem Schalter durch externe Maßnahmen die Möglichkeit zur Stromunterbrechung gegeben werden muss. In dieser Arbeit wurde ein Rechenverfahren entwickelt, mit dem bei geringem Aufwand festgestellt werden kann, ob ein gegebener Hochspannungs-Leistungsschalter im vorgegebenen Kreis bei anzugebenden Betriebszuständen einen Kurzschluss mit ausbleibenden Stromnulldurchgängen beherrscht. Das Rechenverfahren wurde mit Hilfe des Netzberechnungsprogramms PowerFactory der Firma DIgSILENT GmbH entwickelt. Es beinhaltet ein neues dreiphasiges Leistungsschaltermodell, dass das Ein- und Ausschaltverhalten eines Leistungsschalters simuliert und alle wichtigen die ausbleibenden Stromnulldurchgänge verursachenden Faktoren berücksichtigt. Zudem werden sämtliche auftretenden Generatorbetriebszustände und die das Auftreten von ausbleibenden Stromnulldurchgängen verursachenden worst-case-Szenarien automatisch berechnet. In der Arbeit wurde untersucht, unter welchen Umständen im zeitlichen Verlauf des generatorseitigen Kurzschlussstromes ausbleibende Stromnulldurchgänge auftreten und welche Parameter den größten Einfluss auf den Kurzschlussstromverlauf haben. Zudem wurde die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von ausbleibenden Stromnulldurchgängen in Abhängigkeit der genannten Parameter in realen Anwendungen abgeschätzt. Die vorliegende Arbeit ist notwendig, da die zukünftige Entwicklung der Hochspannungs-Leistungsschalter dazu führt, dass die einzelnen Unterbrechereinheiten für eine höhere Bemessungsspannung ausgelegt werden als bisher. Damit sinkt bei höheren Nennspannungen (z.B. > 362 kV) die Zahl der Unterbrechereinheiten pro Schalterpol. Als Folge sinkt auch die Lichtbogenspannung je Schalterpol, und es verringert sich der die Gleichstromzeitkonstante verkürzende Einfluss, so dass gegebenenfalls konstruktive Maßnahmen erforderlich werden.
Durch die schnell steigende Durchdringung von innerstädtischen Photovoltaikanlagen und Elektrofahrzeugen in den Niederspannungsnetzen wird die zukünftige Versorgungsinfrastruktur herausgefordert. Die Schwerpunkte der Netzauswirkungen werden auf das Spannungsband und die tolerierte Netzbelastung der untersuchten Netze fokussiert. Das Ziel dieser Dissertation ist es, die zulässig installierbare Photovoltaikleistung in den Wohnsiedlungen zu ermitteln und die möglichen Lösungen zur Vermeidung des notwendigen Netzausbaues zu entwickeln. Zunächst wurde eine Untersuchung zur Ermittlung des Photovoltaikpotenzials in der Stadt Cottbus mit ca. 100.000 Einwohnern durchgeführt. Insgesamt ist ca. 250 MWp Photovoltaikleistung theoretisch installierbar. Dies kann zu einer maximalen Summeneinspeiseleistung von 200 MW führen, welche die derzeitige Lastspitze in Cottbus weit überschreiten würde. Zur Ermittlung der Netzauswirkungen auf die Niederspannungsnetze bei hoher Penetration von Photovoltaikanlagen und Elektrofahrzeugen wurden die folgenden drei Modelle erstellt: Das Photovoltaikeinspeisemodell basiert auf der gemessenen Globalstrahlung mit realen Zeitreihen in Cottbus. Zur Modellierung der Lastgänge von Haushalten wird das Standardlastprofil zur Verfügung gestellt. Die zusätzlichen Ladelastgänge von Elektrofahrzeugen werden den derartigen Lastgängen von Haushalten überlagert. Die Netzstruktur wurde für Ein- und Zweifamilienhaussiedlungen und Mehrfamilienhaussiedlungen modelliert. Die Simulationen wurden in der Netzberechnungssoftware ELEKTRA durchgeführt. Es ist festzuhalten, dass die installierbare Photovoltaikleistung in den Ein- und Zweifamilienhaussiedlungen beschränkt werden muss. Durch eine induktive Blindleistungsbereitstellung kann die zulässige Leistung erhöht werden. In den Mehrfamilienhaussiedlungen ist eine komplette Ausnutzung der Dachfläche mit Photovoltaikanlagen möglich. Zum Schluss wurden zwei Varianten durch Einsatz der Speichersysteme zur besseren Integration der Photovoltaikanlagen entwickelt und dann anhand eines Beispielnetzes demonstriert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Leitsystems für ein Microgrid.
Der Begriff Leitsystem beschreibt die Gesamtheit aller Komponenten und Einrichtungen für eine zentrale Steuerungs- und Überwachungszentrale, in der eine Datensammlung aus hierarchisch niederen Ebenen erfolgt. Das Ziel: Prozesse und Abläufe sollen erfasst und für den Anwender sichtbar gemacht werden. Als Microgrid wird in diesem Kontext ein inselnetzfähiges, lokal begrenztes Smart Grid bezeichnet.
Grundlage für die Entwicklung eines Leitsystems für ein Microgrid bildet die klassische Verteilung der Ebenen zur Anpassung standardisierter und anwendungserprobter Strukturen. Diese werden im Rahmen alternativer Ansätze abgestimmt. So wird das „Smart Grid Architecture Modell“ (SGAM) auf die Ebenen des Microgrids angewendet. Hier wird innerhalb der Ebenen nach spezifischen Aufgaben und den damit verbundenen Eigenschaften unterschieden. Das hat eine Komplexitätsreduzierung der fünf Ebenen zur Folge. Vor dem Hintergrund spezifischer Normungsaktivitäten kann so die Erarbeitung bzgl. Interoperabilitätsbedingungen innerhalb der Bereiche problemloser und übersichtlicher gehandhabt werden.
In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Leitsystemansätze für ein Microgrid vorgestellt. Diese können dezentrale Anlagenteile in ihren separaten Steuer- und Regelprozessen anleiten oder zum Teil beeinflussen. Ein Energiemanagementsystem mit Microgrid-relevanten Applikationen und Fahrplantools wird als Hilfsmittel zur bedarfsgerechten Führung eines intelligenten Kleinstnetzes ebenfalls abgebildet. Abschließend erfolgt die Implementierung eines Leitsystems in ein universitäres Microgrid.
In the last years, energy prices for German households have been increasing constantly. Some reasons for that include: the dependency of Germany on external fossil fuels to supply its energy demand, the decision to invest in renewable energy generation and to shut down all its nuclear power plants. Nowadays households are already able to generate energy on-site, however the generation potential depends on climatic conditions as well as the specific location and the type of the building. The aim of this work is to evaluate whether a community of new efficient single-family houses can generate enough energy on-site to supply its electricity and heating demand over the year based on renewable energy sources and with the support of energy storage systems, including electric vehicles. The theoretical community is situated in the city of Cottbus, Germany. For this community, an electricity load profile was designed based on the use of common devices and separated in controllable and uncontrollable loads. Electricity is generated on-site through photovoltaic panels and small wind turbines, and the electricity generation potential is evaluated based on the community’s available space, which is rather limited, and the actual regulations in the State of Brandenburg. A comparison of the available technologies to supply the heating demand as well as to store energy in the household sector is presented and discussed. It is assumed that each household has an electric vehicle that can be charged and also discharged in the community as an extra energy storage system. A software simulation system was designed with which an energy balance analysis is carried out based on hourly values of supply and demand. Under the assumptions taken for this study, the results of the simulation show that the community is able to generate more energy than consumed throughout a year, however in a few occasions there is not enough energy available to supply the community’s energy demand. Water can be heated up to 70°C at least once a week preventing the bacterium Legionella to grow. The community is able to supply 99% of the uncontrollable load group demand and 97% of the controllable load group demand. There is enough energy available to heat space during the cold months, if heat pumps with a coefficient of performance greater than two are used. The electric vehicles can be charged using the energy generated in the community via grid or extra battery banks. If energy prices continue to increase, German households will try to find solutions to reduce their energy bills. The integration of several households forming a community network is a solution that optimizes the energy use and space (especially taking wind turbines in consideration), and reduces investments. However, the implementation of such a community still depends on the availability of space, improvement and price reduction of energy storage systems, regulations for energy exchange as well as willingness of the people living in such a community to adapt their daily routine according to the availability of energy.
Hochspannungs-Leistungsschalter mit mehreren Unterbrechereinheiten werden gängigerweise mit parallel geschalteten Steuerkondensatoren größerer Kapazität betrieben. Dadurch erfolgt eine weitgehend gleichmäßige Aufteilung der Spannung über die einzelnen Schaltstrecken. Der Einsatz von Steuerkondensatoren verursacht zusätzliche Kosten für die Leistungsschalter. Obendrein sind sie potentielle Fehlerquellen. Daher besteht ein Interesse, die Notwendigkeit der Steuerkondensatoren zu untersuchen. Hierzu sind die kleinen Kapazitäten der Unterbrechereinheiten des Hochspannungs-Leistungsschalters zu bestimmen, um die genaue Spannungsaufteilung ohne Steuerkondensatoren zu erhalten. Nach der Betrachtung verschiedener Verfahren zur relativ schwierigen Messung der kleinen Kapazitäten der Unterbrechereinheiten folgen Messungen sowie Feldsimulationen, um den Einfluss der Umgebung der Leistungsschalter im praktischen Betrieb auf die Spannungsverteilung über den unbeschalteten Unterbrechereinheiten zu ermitteln.
Currently more and more researches of high voltage bushings are focused on the requirements for a simple structure, compactness and light-weight. The general operation of SF6 gas-filled bushings (SF6 bushings) is satisfying the requirements, but in the operation and design of SF6 bushings still many improvements may be possible. The minimizing of dimension might enhance the electric field strength (E) on the crucial points of bushings, which may lead to partial discharge, flashover and even break down. Electric field distribution along the surface mainly depends on contour design, besides the effect of contamination. This dissertation mainly describes the optimization of the bushings design by genetic algorithm.
First, a model of SF6 bushing was developed and simulated for the theory purpose. Then, the potential breakdown problems were defined and the mechanisms of the potential breakdown were explained. Afterwards, the dissertation proposes an approach, i.e. genetic algorithm to optimize the contour design of SF6 bushings. The approach improved the execution efficiency by accessing the fitness values of searched solutions during the optimization process. To verify the effectiveness of the genetic algorithm, it has been applied to minimize the electric field strength at the critical positions. Furthermore, the critical points of SF6 bushings were optimized. Several new structures of the ground electrode were proposed and optimized separately by genetic algorithm. A new curve, i.e. cubic spline was applied to the contour of the top flange to avoid the influence of the triple points. By optimization E on the surface of top flange was minimized. The potential distribution on the surface of insulator was optimized by a new structure. By the genetic algorithm the contour of composite weather sheds (WS) was optimized as water-drop form.
In summary, a more uniform potential distribution along the surface of weather sheds and minimal values of electric field strength at critical points can be derived effectively by genetic algorithm. In addition, a smaller dimension of SF6 bushing was obtained in comparison with presently available ones.
With the recent developments in electrical transmission system, HVDC transmission for long distances has become feasible. With this development, many insulators are being used in HVDC system. Different kinds of insulators are situated at different places (example: desert, near to sea, agriculture area, etc.) so they will get expose to different types of pollution. Pollution affects the behavior of insulation in terms of breakdown and withstand capability. The application experience of insulators under HVDC conditions is limited. There is a necessity to understand the flashover performance and to recognize key parameters in the design and dimensioning of insulators used under HVDC conditions. This dissertation presents the difference between the analysis of partial breakdowns at AC and DC.
The dissertation explains the behavior of a water drop on insulator shed surface energized with DC. It deals with the moving water drop and hanging drop at the edge of the shed.
There are many situations where insulator structure should be in parallel. For example, the structure of insulators in vertical disconnector equipment often is parallel. If insulators are arranged in parallel, then the behavior of the electric field is totally different. It is important to know the behavior of these insulators used in HVDC system. This report also explains the pollution and non-pollution behavior of parallel insulators energized with DC.
The results can be a source of information to optimize the design and dimensioning of HVDC insulators, especially in pollution conditions.
Energy demand of continents, countries, communities and individuals will continue to increase in the phase of increasing population and improvement in the living standards of people. The attempt to meet this ever increasing demand and at the same time protect the environment has resulted in the fast growth of power generation from renewable sources of energy especially from wind through wind power plants and solar through photovoltaic power plants. This growth has been facilitated by various support schemes such as feed-in-tariff scheme, feed-in-premium and quota scheme. Further growth is expected in the future. This is because of the existing support schemes and the expectation of the emergence of improved technologies for harvesting renewable energy.
This development of power generation from renewable sources of energy although positive lead to some distinctive negative effects on the existing electrical network to which they are connected. These negative effects are known and well documented. The fluctuating nature of wind and solar radiation at any given location over a given period of observation is seen to translate into the power they feed into the power network. This fluctuating infeed requires more active management of the network by system operators so as to ensure continuous reliable power generation and delivery. Sometimes the management process lead to non-utilization of power produced by the renewables sources. Secondly, expansion and reinforcement of some existing networks are needed in other to accommodate renewable power generators. These come at a cost. Many studies and researches have been dedicated to finding solutions to these issues.
This work agrees with the use of storage systems as means of solving these issues but the question that remains unanswered is what the optimal way is. There is also a further push given to the view of installing renewable energy plants together with storage systems as a unit in this work. The main task presented in this work, however, is a concept of sizing renewable energy plant and storage systems as a unit. The resulting renewable energy plant-storage unit has the objective of supporting the electrical network to which it will be connected. Firstly the support should be by reducing the fluctuating effect from renewable production. Secondly by helping improve the load hosting capacity of the electrical network. This will be by supplying the part of the load demand leading to the reduction of the overall power drawn by connected loads from the electrical power network.
Historic data of renewable resource and also the load demand at the point or bus of connection are the drivers of this concept. With the earlier mentioned objectives and random or stochastic nature of data involved, particle swarm optimization method is employed in implementing the concept of sizing to arrive at an optimal solution of required sizes of the renewable energy plant-storage system.
The concept of sizing is based on proposing an ideal load demand that can be supplied by a utility under normal operating condition at all time. It follows that any extra demand should be supplied by the optimally sized renewable energy plant-storage unit. In this work sizing results of three scenarios presented. A single node network with three different types of the load was used in testing the effect of optimally sized renewable energy plant-storage system on an electrical network. The outcome of this test showed that the optimally sized renewable energy storage-system improved the ability of the test electrical network to support additional load hence load hosting capacity of test network was improved. The process required modelling and simulation all of which were carried out using MATLAB Simulink software.
A contribution to the online monitoring of partial discharges in high-voltage grid components
(2024)
Increasing utilization of HV power cable lines, and particularly the advent of long HVDC underground links, results in the need to sensitively monitor their condition, such as by tracking the emergence and development of partial discharges. This study demonstrates that existing solutions are poorly suited to the case of HVDC lines, and that a new, more sophisticated monitoring system needs to address a wide array of diverse problems. First of all, the overview of the task and main functional blocks of the monitoring system is given. Following this, selected blocks are subject to detailed examination in subsequent chapters.
The first of these blocks, a high-frequency current transformer (HFCT), is responsible for capturing the signal in the power line and transferring it to the electronics. This component receives in-depth coverage: general design considerations, computation of leakage inductance, operation in presence of a power current, resonant behavior, balanced design. Particular attention is given to the application of Finite Element Analysis (FEA) in relation to the HFCT, however, the demonstrated techniques can also be applied to other magnetic devices. Last section of the chapter presents various stages of development, experimental setups, prototypes, and the final device which has been put into series production.
The next block addresses extraction of signals from noise. A literature analysis is conducted concerning noise suppression in partial discharge recordings, and the application of the signal separation approach based on Linear Predictive Coding is shown.
In the section on localization, examples illustrating problems encountered during the development of a partial discharge localization algorithm are presented.
In the chapter devoted to laboratory tests, various auxiliary experiments conducted during the system's development are compiled, where some of them are: Time Domain Reflectometry (TDR) TDR-based line characterization, estimation of monitoring sensitivity, measurement of the cable attenuation and reflection coefficients of the accessories.
In the final chapter – field tests – the installation of the system on a 110 kV line and the measured transfer function are demonstrated.