@inproceedings{RaabFrauenknechtWellhoeferetal., author = {Raab, Alexander and Frauenknecht, Dominik and Wellh{\"o}fer, Anatoli and Luther, Matthias and Kuri, Ananya}, title = {Hybrid EMT and Phasor based MMC-HVDC Model for Advanced Power System Simulation}, publisher = {IEEE}, abstract = {The objective of this paper is the implementation and comparison of a hybrid phasor-based (RMS) and electromagnetic transient (EMT) modular multilevel converter high voltage direct current (MMC-HVDC) model for advanced and detailed studies of large power systems. The general modeling approach for hybrid simulation of modular multilevel converters for HVDC applications with the corresponding control concepts is described. The HVDC model can be divided into AC and DC components with different simulation time steps and representation using network partitioning. The connected AC grids and converter models are considered in the phasor-based time domain, while the DC connection is simulated in the electromagnetic-transient time domain. The coupling of the models is established by the total energy control of the MMC. The hybrid approach is evaluated in comparison to an average MMC HVDC model in an EMT simulation. The results show the advantages of the hybrid model. The model can be simulated with comparatively low computational effort, while the DC transients can be represented in detail during disturbances.}, language = {en} } @inproceedings{RaabScheibeWellhoeferetal., author = {Raab, Alexander and Scheibe, Christian and Wellh{\"o}fer, Anatoli and Nguyen, T.T.-T. and Frauenknecht, Dominik and Mehlmann, Gert}, title = {Converter-based Control using Co-Simulation with a Power System Simulation Tool}, series = {NEIS 2021 - 9th Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems}, booktitle = {NEIS 2021 - 9th Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems}, publisher = {VDE Verlag}, isbn = {978-3-8007-5651-3}, pages = {25 -- 30}, abstract = {The objective of this contribution is to implement a Co-simulation approach for control systems within RMS-based stability analyses of power systems. Inter-process communication via shared memory connects the specialized and focused software environments and enables the data exchange between them. A model of a point-to-point VSC-HVDC system with main controls is presented as the test system to be investigated. Simulations with the model in a fault case show that the results generated with the new approach are similar to those of a single-instance simulation with converted models. Simultaneously, in contrast to the existing alternatives the presented approach exhibits the benefits of Co-simulation related to efforts, costs, efficiency and model continuity, while the models remain within specialized best-in-class tools.}, language = {en} } @inproceedings{SemerowWolfWellhoeferetal., author = {Semerow, Anatoli and Wolf, Thomas and Wellh{\"o}fer, Sabine and Luther, Matthias}, title = {Power system model order reduction based on dominant modes in modal analysis}, series = {2017 IEEE Power \& Energy Society General Meeting}, booktitle = {2017 IEEE Power \& Energy Society General Meeting}, publisher = {IEEE Computer Society Press}, issn = {1944-9933}, doi = {10.1109/pesgm.2017.8274669}, pages = {1 -- 5}, abstract = {Investigations of small-signal stability of electrical power systems are usually performed by modal and time-domain analysis using descriptive differential equations of machines. Thereby, the modal analysis enables the identification of all dominant states of the linearized power system model, which are associated with electromechanical interactions and power oscillations. For reasons of simplification and due to computation capabilities, a reduction of the model order is often advantageous. This can be done by neglecting different physical effects within the machines, retaining the topology and the modal characteristics of the power system regarding its electromechanical behavior. This paper presents a modal analysis based approach for power system model order reduction. In order to reproduce the small-signal behavior of power systems accurately, damping and synchronizing parameters are introduced within the reduced-order model. Subsequently, each coefficient is determined analytically for a single machine infinite bus system and using the particle swarm optimization method for a multi-machine system. The deviation to the electromechanical reference modes of the higherorder power system model constitutes the objective function to be minimized. The results confirm that the approach is suitable for the aspired goals and fulfills the accuracy requirements.}, language = {en} } @phdthesis{Wellhoefer, author = {Wellh{\"o}fer, Anatoli}, title = {Ein Beitrag zur Beschreibung elektromechanischer Ausgleichsvorg{\"a}nge in elektrischen Energiesystemen und Ursachenidentifikation mittels Weitbereichsmessungen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:29-opus4-99820}, abstract = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit den physikalischen Ph{\"a}nomenen von elektromechanischen Ausgleichsvorg{\"a}ngen in elektrischen Energiesystemen sowie mit der Identifikation ihrer Ursachen mittels Weitbereichsmesssystemen (WAMS) im praktischen Netzbetrieb. Dabei besteht der Anspruch, einen Beitrag zum tiefergehenden Verst{\"a}ndnis des nat{\"u}rlichen und erzwungenen, dynamischen Systemverhaltens zu leisten. Dar{\"u}ber hinaus werden innovative Methoden der Ursachenidentifikation vorgestellt und mittels Simulation validiert, um technologische Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet zu unterst{\"u}tzen. Die Abhandlung fasst den aktuellen Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse zum elektromechanischen Verhalten von Verbundsystemen zusammen. Neben der Vorstellung einer geeigneten Modellierung dieser Systeme und bew{\"a}hrter Berechnungsmethoden im Frequenz- und Zeitbereich, befasst sich die Arbeit mit der Ausbreitung von Systemereignissen. Zun{\"a}chst wird die Ausbreitung konzeptuell in zwei Komponenten -- elektromechanische Wellenausbreitung und simultane Beschleunigung -- zerlegt und anschließend werden deren Abh{\"a}ngigkeiten theoretisch fundiert aufgezeigt. Sie werden insbesondere durch das Spannungsniveau des Netzes, die Impedanzen und die Struktur der Netztopologie, die Tr{\"a}gheiten der Turbos{\"a}tze in den Erzeugungseinheiten sowie durch den Arbeitspunkt des Systems charakterisiert. Weiterhin werden die Auswirkungen periodischer Anregungen mit verschiedenen Frequenzen im System betrachtet. Ihr Einfluss auf die Synchronmaschinen und deren gegenseitigen Leistungsaustausch stellt den Untersuchungsgegenstand dar. Es wird dabei deutlich, dass im Bereich schwach ged{\"a}mpfter, niederfrequenter Moden eines elektrischen Energiesystems Resonanzerscheinungen auftreten k{\"o}nnen, die systemcharakteristische Amplituden- und Phasenverh{\"a}ltnisse zwischen Netzgebieten zur Folge haben. Davon unber{\"u}hrt bleibt die durch das System angenommene Frequenz der Ausgleichsvorg{\"a}nge. Bei Anregefrequenzen oberhalb der nat{\"u}rlichen Moden des Systems ist die Ausbreitung der Anregung zunehmend eingeschr{\"a}nkt. Die Abhandlung fasst dar{\"u}ber hinaus den aktuellen wissenschaftlichen Stand zur Lokalisierung von Ursachen elektromechanischer Ausgleichsvorg{\"a}nge mittels Weitbereichsmesssystemen zusammen, mit welchen systemweite Messungen synchronisiert durchgef{\"u}hrt werden. Eine besondere Aufmerksamkeit erhalten dabei die Methoden, die auf der elektromechanischen Ausbreitung und der Modalinformation aus Frequenzaufzeichnungen basieren. Ihr theoretisches Konstrukt wird in der Arbeit vertieft vorgestellt. Anschließend werden sie mit Hilfe eines dynamischen Modells des kontinentaleurop{\"a}ischen Synchronverbunds (CESA) auf ihre Eignung f{\"u}r den praktischen Einsatz im Systembetrieb hin gepr{\"u}ft. Das Beurteilungskriterium besteht hierbei in der Er{\"o}rterung, inwieweit ein von einem Fehler betroffener Teil eines Netzgebiets durch die verwendeten Methoden identifiziert werden kann. In den F{\"a}llen transienter Ausgleichsvorg{\"a}nge zeigen sich teilweise deutliche Unterschiede in den Ergebnissen der verschiedenen Lokalisierungsmethoden auf Basis der Ausbreitung. Die nicht-parametrischen Methoden erm{\"o}glichen dabei im Durchschnitt eine bessere Zuordnung des betroffenen Netzgebiets. Unter diesen ist die eigens eingef{\"u}hrte Methode der Zeit-Distanz-Verh{\"a}ltnisse durch die Priorisierung der zuerst detektierenden Messstellen in der Regel der Ursache am n{\"a}chsten. Bei der umfassenden Analyse zeigt sich jedoch auch, dass die den Methoden zugrundeliegenden Annahmen und die tats{\"a}chlichen Bedingungen eines realen Systems auseinanderliegen k{\"o}nnen und dadurch systematisch Abweichungen entstehen. M{\"o}gliche Wege zur Ann{\"a}herung der Theorie an die Praxis werden im Rahmen der Abhandlung genannt. In den F{\"a}llen erzwungener Ausgleichsvorg{\"a}nge kann bis auf die Spezialf{\"a}lle stets eine eindeutige Zuordnung des betroffenen Netzgebiets mittels der Methoden auf Basis der Modalinformation erfolgen. Dabei wird, abh{\"a}ngig von den Phasenbeziehungen der beteiligten Schwingungspartner, die Entscheidung anhand der Amplituden und der voreilenden Koh{\"a}renzgruppe, die einen geringeren D{\"a}mpfungsbeitrag liefert, gef{\"a}llt. Die Spezialf{\"a}lle zeichnen sich durch die Bildung mehrerer koh{\"a}renter Schwingungsgruppen aus und damit durch eine m{\"o}gliche Fehlinterpretation anhand der gew{\"a}hlten Kriterien. Grunds{\"a}tzlich wird aufgezeigt, dass die vorgestellten Verfahren zur Ursachenidentifikation zu den Maßnahmen geh{\"o}ren, die der zunehmenden Komplexit{\"a}t des dynamischen Verhaltens elektrischer Energiesysteme entgegengestellt werden k{\"o}nnen. Zuk{\"u}nftig gilt es, die festgestellten Einschr{\"a}nkungen der Methoden durch tiefergehende Untersuchungen und Weiterentwicklungen auszur{\"a}umen sowie f{\"u}r den praktischen Einsatz zu ert{\"u}chtigen. Hierf{\"u}r bildet die vorliegende Arbeit mit der Behandlung der zugrundeliegenden physikalischen Ph{\"a}nomene sowie der Lokalisierungsmethoden eine fundierte Basis.}, language = {de} } @inproceedings{VolkovaSchmidhuberdeMeeretal., author = {Volkova, Anna and Schmidhuber, Julian and de Meer, Hermann and Hess, Robin and Schilling, Klaus and Wellh{\"o}fer, Anatoli and Zink, Markus}, title = {Design and Simulation of LEO Satellite Communication Networks for Reliable Monitoring and Control in Power Systems}, series = {The 14th DACH+ Conference on Energy Informatics}, booktitle = {The 14th DACH+ Conference on Energy Informatics}, language = {en} } @inproceedings{RaabFrauenknechtMehlmannetal., author = {Raab, Alexander and Frauenknecht, Dominik and Mehlmann, Gert and Luther, Matthias and Wellh{\"o}fer, Anatoli}, title = {Hybrid Phasor- and EMT-based Multi-Terminal MMC-HVDC Model with Grid-Forming Control}, series = {2023 IEEE Power \& Energy Society General Meeting (PESGM)}, booktitle = {2023 IEEE Power \& Energy Society General Meeting (PESGM)}, publisher = {IEEE}, isbn = {978-1-6654-6441-3}, issn = {1944-9933}, doi = {10.1109/pesgm52003.2023.10253370}, abstract = {The objective of this paper is to apply a hybrid phasor-(RMS) and electromagnetic transient-based (EMT) simulation approach to a multi-terminal modular multilevel converter high voltage direct current (MT MMC-HVDC) model. The MMC of the MT-HVDC are implemented with grid-following and grid-forming control. An overview of the MT MMC-HVDC is given and the grid-forming and voltage droop control are described. The AC and DC networks of the MMC are divided into an RMS and an EMT partition with different simulation time steps. The grid-forming and grid-following control with inner AC current control are assigned to the RMS partition. The total energy and inner converter control are assigned to the EMT partition. The model is initialized for a correct transition from power flow to time domain simulation. The approach is implemented in a meshed power system model, where grid-forming MMC provide voltage and frequency for an offshore wind farm and a synchronous grid. The simulations are performed with the AC networks in RMS and the DC networks in EMT. The results show that the interactions between the AC and DC grids can be studied in a hybrid simulation framework. The DC system response is detailed, while the AC system is reduced to machine and controller dynamics.}, language = {en} } @inproceedings{FrauenknechtSchweinshautRaabetal., author = {Frauenknecht, Dominik and Schweinshaut, Bernd and Raab, Alexander and Mehlmann, Gert and Luther, Matthias and Wiest, Pascal and Heyde, Chris Oliver and Wellh{\"o}fer, Anatoli}, title = {Stability Analysis of Converter-Dominated Power Systems by Phasor-Based and Electromagnetic Transient Simulation}, series = {15. VDE ETG/VDI/VDE-GMA-Fachtagung „Netzregelung und Systemf{\"u}hrung"}, booktitle = {15. VDE ETG/VDI/VDE-GMA-Fachtagung „Netzregelung und Systemf{\"u}hrung"}, editor = {VDE ETG,}, isbn = {978-3-8007-6292-7}, language = {en} } @article{WalleBiyazneBerhanuTukaMekonnenAbebeetal., author = {Walle Biyazne, Likenesh and Berhanu Tuka, Milkias and Mekonnen Abebe, Yoseph and Wellh{\"o}fer, Anatoli}, title = {Enhancing MPPT performance of a grid-connected Doubly-Fed induction generator-based wind power plant using hybrid ANFIS-PI control strategy}, series = {Nature Scientific Reports}, volume = {16}, journal = {Nature Scientific Reports}, abstract = {This paper focuses on an effective control technique for enhancing the Maximum Power Point Tracking (MPPT) performance of a grid-connected DFIG-based wind power plant under continuously varying wind conditions. However, rapid fluctuations in wind speeds, uncertainties in parameters, and grid disturbances are key challenges to enhancing the MPPT performance capability. Considering these struggles, this study aims to model a modified dynamic DFIG-based wind turbine system and develop a hybrid Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) with a Proportional-Integral (PI) controller on the back-to-back converter at the rotor and grid sides. The actual limited ranges of wind speed and output power generation data of the Adama II wind power plant in Ethiopia are utilized as input and output variables for the ANFIS controller. The simulation results from the latest version of R2024a MATLAB-Simulink software show that the proposed ANFIS-PI reached an MPPT of 2.22 MW compared to the FLC-PI controller attained 2.2 MW using the benchmark as the reference value of 1.561 MW in the PI controller, by improving the maximum power coefficient of 0.5504 compared to 0.5473 using the baseline as the reference value of 0.4109, respectively, at a rated wind speed of 12.5 m/s and an optimal pitch angle of 0°.}, language = {en} }