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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.