Schröder M (2019)
Publication Language: German
Publication Type: Thesis
Publication year: 2019
Publisher: FAU University Press
City/Town: Erlangen-Nürnberg
ISBN: 978-3-96147-198-0
DOI: 10.25593/978-3-96147-199-7
Im Rahmen dieser Ausarbeitung wurde ein umfassendes Modell zur multidirektionalen
Steuerung des Energieflusses eines Modularen Multilevel-Umrichters
(MMC) mit integrierten Batteriespeichern entwickelt und an einem
Versuchsauau in einem Niederspannungs-Labor verifiziert. Dabei wurden
unterschiedliche Konzepte zur Regelung der Stromstärke untersucht. Weiterhin
erfolgte eine Modellierung der energetischen Zusammenhänge und
die darauf basierenden Auslegungen von Energie- und Symmetriereglern
im Fall unsymmetrischer Netzzustände. Die gefundenen Regelungskonzepte
wurden zur Berücksichtigung der Auswirkungen der Einbindung von Batteriespeichern
in den MMC erweitert.
Grundlegende Zusammenhänge zwischen einerseits Spannung und Stromstärke
und andererseits Energie und Leistung für Einphasen- und Mehrphasen-
Stromsysteme wurden herausgearbeitet. Dabei wurde insbesondere
die Beschreibung unsymmetrischer Netzzustände mittels des Konzepts des
Double Synchronous Reference Frame (DSRF) ausführlich erläutert. Hierdurch
konnte eine geschlossene und kompakte Formulierung der Zusammenhänge
hinsichtlich der elektrischen Leistung mittels Vektorgleichungen
ermöglicht werden.
Es erfolgte weiterhin eine allgemeine Einführung in die zur Regelung und
Steuerung von Stromrichtern erforderliche Regelungstechnik. Dabei wurden
die Verfahren zur Auslegung von klassischen Schleifenreglern sowie modernen
Zustandsrückführungen bzw. prädiktiven Reglern diskutiert. Dabei
wurde zwischen parameteroptimalen und strukturoptimalen Reglern differenziert.
Es wurde eine Einordnung der Stromrichterklasse der MMCs im Kontext
Stromrichter sowie eine detaillierte Beschreibung verschiedener modularer
Umrichtertopologien durchgeführt. Besonders wurde hierbei auf die Klärung
der Begrifflichkeiten modular und multilevel eingegangen. Zudem erfolgte
eine Erläuterung der Möglichkeiten zur Integration von Batteriespeichern
in die Module eines MMCs.
Beruhend auf den genannten, grundlegenden Überlegungen wurde der
Modularen Multilevel-Umrichter in Doppelstern-Konfiguration (MMC-DS)
mit integrierten Batteriespeichern umfassend modelliert. Zunächst wurden dazu einerseits die Methode der Modellierung mit kurzzeitigen Mittelwerten
und andererseits die makroskopische und mikroskopische Betrachtung
eine MMCs eingeführt. Im Anschluss daran wurde ein Zustandsraummodell
für Spannungen und Stromstärken des MMC-DS basierend auf einer Netzwerkanalyse
hergeleitet. Dieses Modell wurde durch Ähnlichkeitstransformationen
derart umgeformt, dass die Verkopplungen zwischen den verschiedenen
Zustandsgrößen auf ein Minimum reduziert werden. Darauf auauend
wurden mithilfe der DSRF-Komponenten Festlegungen für Spannungen
und Stromstärken getroffen, welche die Grundlage für die Modellierung und
Berechnung der Energieflüsse innerhalb und außerhalb des MMC-DS für
unterschiedlichste Netzkonfigurationen darstellten. Es konnte eine kompakte
Vektorgleichung bestimmt werden, mit welcher sämtliche Energieflüsse
mathematisch beschrieben wurden. Auf Grundlage dieser Vektorgleichung
wurden Möglichkeiten zur Energieflusssteuerung identifiziert und Konzepte
für Energie- und Symmetrieregler entworfen. Weiterhin erfolgte eine Betrachtung
der Auswirkungen der Integration von Batteriespeichern auf die
energetischen Zusammenhänge innerhalb des MMC-DS.
Sämtliche entwickelten Konzepte zur Regelung der Stromstärke sowie Energie
und Symmetrie wurden im Rahmen der Untersuchungen an einem
Laborauau des MMC-DS mit integrierten Batteriespeichern verifiziert. Dazu
wurden zunächst der Laborauau sowie dessen Peripherie beschrieben.
Basierend auf umfangreichen Messergebnissen erfolgte zunächst eine Darstellung
des Regelverhaltens der verschiedenen Regler der Stromstärke. Insgesamt
zeigte sich, dass Zustandsregler und prädiktiver Regler zu einem
besseren Regelverhalten führen als klassische Schleifenregler. Danach wurden
die entwickelten Konzepte zur Energie- und Symmetrieregelung in verschiedenen
Netzsituationen messtechnisch untersucht und deren korrekte
Funktionsweise verifiziert. Abschließend wurden die entwickelten Konzepte
zur Energie- und Symmetrieregelung im Fall der Integration von Batteriespeichern
am Laborauau überprüft und deren korrekte Funktionsweisen
nachgewiesen.
Insgesamt wurde ein umfassendes Modell zur multidirektionalen Energieflusssteuerung
in einem MMC mit integrierten Batteriespeichern entwickelt
und an einem Laborauau eines MMC-DS mit integrierten Batteriespeichern
verifiziert.
APA:
Schröder, M. (2019). Multidirektionale Energieflusssteuerung eines Modularen Multilevel-Umrichters mit integrierten Batteriespeichern in elektrischen Netzen (Dissertation).
MLA:
Schröder, Markus. Multidirektionale Energieflusssteuerung eines Modularen Multilevel-Umrichters mit integrierten Batteriespeichern in elektrischen Netzen. Dissertation, Erlangen-Nürnberg: FAU University Press, 2019.
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