Experimentelle Forschung in der Energietechnik

„Experimentelle Forschung in der Energietechnik“ wird am IEH durchgeführt, um Betriebsmittel der Energietechnik zu untersuchen und theoretische Thesen an verschiedenen Versuchsständen zu validieren. Durch das induktive Laden entfällt die Steckverbindung mit Kabel und Stecker, wodurch u.a. eine höhere Akzeptanz zur Elektromobilität zu erwarten ist. Die Weiterentwicklung und das Testen verschiedener Verfahren zur Umrichterregelung kann mittels einer Umrichteremulation durchgeführt werden. Die Verknüpfung einer frequenzvariablen Netznachbildung mit einem Vollumrichter ermöglicht die Nachbildung einer Windkraftanlage und die Untersuchung spannungseinprägender Regelverfahren. Neben der klassischen Aufteilung der Themen in Simulation und experimentelle Untersuchungen an Demonstratoren und Versuchsständen findet auch die innovative Hardware-in-the-Loop Technik als Brücke zwischen Simulation und Experiment Anwendung.

Smart Energy Office Building (SEOB)

Mit der Energiewende treten neue Erzeugungsmöglichkeiten (PV-Anlage, WEA) und neue Verbraucher (z.B. E-Auto, Wärmepumpe) in den Vordergrund. Das führt zu volatilen Energieflüssen im Netz, die durch Speichertechnologien (Li-Ionen-Batterie, Wasserstoff) ausgeglichen werden müssen. Eine mögliche Herangehensweise ist es, einzelne Gebäude oder Quartiere in Zukunft möglichst autark oder gar netzdienlich zu regeln, um die Netze dadurch zu entlasten.

Das IEH verwandelt das Institutsgebäude zur Erforschung der Regelung und Wechselwirkung solcher Komponenten derzeit in ein Smart-Energy-Office Building (SEOB). Der Fokus liegt dabei auf dem Aufbau und der Untersuchung eines DC-Microgrids, mit dem die Verluste der ständigen Umwandlung zwischen Wechselspannung und Gleichspannung bei den Erzeugern, Speichern und Verbrauchern reduziert werden können. Die Interaktionen zwischen verschiedenen DC-Komponenten, die an einem spannungsvariablen Bus betrieben werden und die Möglichkeit das DC-Microgrid im Inselbetrieb ohne Verbindung zum AC-Verteilnetz zu betreiben, sind Beispiele für experimentelle Fragestellungen.

Zusätzlich kann mithilfe einer Power-to-Gas-Anlage Wasserstoff gewonnen und längerfristig zwischengespeichert werden. Eine skalierbare Brennstoffzelle schließt den Kreis des Wasserstoff-Speichersystems und kann Schwankungen und Unterbrechungen im DC-Microgrid ausgleichen. Für das Gesamtsystem muss deshalb ein optimiertes Energiemanagement entwickelt werden, welches auch die Vorhersage der Erzeuger (PV-Anlage und Windkraftanlage) und den Lastgang der Verbraucher am Institut berücksichtigt.

Ansprechpartnerin DC-Microgrid: Daniela Eser M.Sc.
Ansprechpartner Wasserstoff-Speichersystem: Erik Wöhr M.Sc.

Realisierung eines Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) Aufbaus zum Anschluss elektrischer Betriebsmittel

Für frühzeitige Tests von sich in der Entwicklung befindlicher elektrischer Betriebsmitteln unter realen Betriebsbedingungen soll mithilfe eines Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) Aufbaus eine kontrollierte Testumgebung geschaffen werden. Der Fokus wird dabei auf die realitätsgetreue Einbindung in ein simuliertes Energienetz gelegt. Insbesondere die Untersuchung des Fehler- und Schaltverhaltens sowie schnell ablaufende Vorgänge können durch klassische modellbasierte Simulationen nur mit eingeschränkter Genauigkeit abgebildet werden. Tests der aufgebauten Hardware sind daher unumgänglich, fordern jedoch von der PHIL-Teststation eine hohe zeitliche Auflösung. Schaltvorgänge und Regelungen finden im Bereich von Millisekunden statt, so dass hier schnellst mögliche Reaktionszeiten des Systems erforderlich sind – die Rückkopplungszeit durch die verwendete Hardware-/Software-Schnittstelle sowie durch die Berechnung des simulierten Systems jedoch nur eingeschränkt reduzierbar ist. Eine daraus resultierende Problemstellung stellt auch die Stabilität des Gesamtsystems dar, die bei der Rückführung diskreter Messgrößen des Betriebsmittels entsteht. Die stabile und hochauflösende Verwirklichung des PHIL-Systems nimmt bei diesem Forschungsthema eine zentrale Rolle ein.

Ansprechpartnerin: Daniela Eser M.Sc.

Bereitstellung von Momentanreserve durch netzbildende Regelung leistungselektronischer Erzeugungsanlagen

Aktuell wird bereits ein erheblicher Teil der elektrischen Energie durch regenerative Energiequellen bereitgestellt. Hiervon stellt in Deutschland die Windenergie den größten Teil bereit. Mit dem Ausbau regenerativer – meist leistungselektronisch basierter – Energiequellen geht die Reduktion der Anzahl konventioneller Kraftwerke einher.

Neben der Bereitstellung elektrischer Energie in ausreichender Menge zu einem jeden Zeitpunkt muss auch gewohnte Versorgungssicherheit weiterhin gewährleistet werden. Von besonderem Interesse ist unter anderem die Bereitstellung der Regelleistung im Subsekundenbereich – der Momentanreserve. Im Gegensatz zu Synchrongeneratoren leisten leistungselektronische Erzeugungsanlagen hierzu aktuell keinen Beitrag. Bei einem weiter ansteigenden Anteil ist dies zur Gewährleistung der Netzstabilität allerdings notwendig.

Am IEH werden daher unter anderem ganzheitliche dynamische Netzsimulationen des irischen Übertragungsnetzes mit einer sehr hohen Durchdringung an Windenergieanlagen untersucht. Auch experimentell werden netzbildend geregelte Umrichter in einem frequenzvariabelen Inselnetz getestet.

Ansprechpartner: Pascal Weber M.Sc.

Teilentladungsmesstechnik als Diagnosemethode für Isoliersysteme beim Einsatz von leistungselektronischen Umrichtern

Die meisten industriell betriebenen Elektromotoren werden heutzutage durch leistungselektronische Komponenten gespeist und gesteuert. Auch im Bereich der Elektromobilität sind schon seit längerem Fahrzeuge mit leistungselektronisch gesteuerten Antriebsmaschinen auf dem Markt. Bisher werden die Isoliersysteme für solche Maschinen typischerweise für sinusförmige Spannungen mit einer Frequenz von 50/60 Hz ausgelegt. Durch die deutlich nichtsinusförmigen Ausgangsspannungen und die variable Frequenz der Umrichter erfährt das Isoliersystem der Motoren jedoch eine neue Belastung, welche bisher kaum betrachtet wurde. Ziel ist es ein Messverfahren zu entwickeln, mit dem Teilentladungen im Prüfling bei variablen Frequenzen und Spannungsformen, insbesondere rechteckförmigen Spannungsimpulsen, zu entwickeln und mit den bisher existierenden und genormten Teilentladungsmessverfahren in Relation zu setzen. Dabei ist die Unterscheidung von Schaltimpuls und Teilentladung eine der Hauptfragestellungen, die es zu beantworten gilt. Für die Versuche steht eine geschirmte Umgebung zur Verfügung, mit der die Störeinflüsse von außen auf ein Minimum reduziert werden können. Um variable Spannungen erzeugen zu können, wird zudem ein leistungselektronischer Umrichter entworfen und realisiert.

Ansprechpartner: Maurizio Zajadatz M.Sc.