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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.
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.
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.