Multidirektionale Energieflusssteuerung eines Modularen Multilevel-Umrichters mit integrierten Batteriespeichern in elektrischen Netzen

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-05-28
Issue Year
2019
Authors
Schröder, Markus
Editor
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-199-7
Abstract

Battery energy storage systems will play a key role in the ongoing process of integration of renewable energy generation into the electrical grid. The transformation of energy between battery and electrical grid is realized by converters. Modular Multilevel Converters are a type of self-commutated converters and are primarily used in high voltage direct current applications. This thesis presents the integration of batteries into the modules of a Modular Multilevel Converter in double-star configuration. Thereby, the features of modular built multilevel converters can be utilized and restrictions of currently used converter topologies for battery energy storage systems can be abolished. For such an integration a highly dynamic energy flow control between the electrical grid, the DC terminals and the converter modules is required. During the control design several approaches for classical loop control and modern state space control are compared. Based on an comprehensive model of the energy relations within a modular multilevel converter with integrated batteries, degrees of freedom for energy flow control are identified. Finally, a verification of the developed controllers is performed with a hardware setup in laboratory. Various grid conditions as well as different configurations of battery integration are investigated.

Abstract

Im Zuge der Verbesserung der Einbindung der Erzeugung elektrischer Energie aus regenerativen Energiequellen wird Batteriespeichern eine zunehmende Bedeutung beigemessen. Stromrichter stellen dabei das Bindeglied zwischen Batteriespeicher und elektrischem Netz dar. Modulare Multilevel-Umrichter sind eine Klasse selbstgeführter Stromrichter, welche gegenwärtig vor allem in der Hochspannungsgleichstromübertragung eingesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit erfolgt eine Integration von Batteriespeichern in die Module eines Modularen Multilevel-Umrichters in Doppelstern-Konfiguration. Hierdurch können die Vorteile modular aufgebauter mehrstufiger Umrichter genutzt und die Beschränkungen gegenwärtig eingesetzter Topologien für die Netzeinbindung von Batteriespeichern überwunden werden. Voraussetzung für eine derartige Integration ist eine hochdynamische Regelung zur Steuerung der Energieflüsse zwischen elektrischem Drehstromnetz, DC-System und den einzelnen Batteriespeichern. Hierzu werden Entwürfe von klassischen parameteroptimale Reglern mit Entwürfen von modernen strukturoptimalen Reglern verglichen. Auf Grundlage einer Modellierung der energetischen Zusammenhänge des Umrichters samt Batteriespeichern erfolgt eine Identifikation von Freiheitsgraden zur Steuerung der Energieflüsse. Abschließend wird eine Verifikation der entworfenen Regler sowie der identifizierten Möglichkeiten zur Energieflusssteuerung anhand eines Versuchsaufbaus im Labor durchgeführt. Dabei werden verschiedene Zustände des elektrischen Netzes sowie unterschiedliche Anordnungen der Batteriespeicher untersucht.

Series
FAU Studien aus der Elektrotechnik
Series Nr.
13
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-96147-198-0
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