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Netzseitige Umrichterregelung in Microgrids und Microgrid-Verbundnetzen

Hammer, Bernhard (2021):
Netzseitige Umrichterregelung in Microgrids und Microgrid-Verbundnetzen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019697,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Netzseitige Umrichterregelung in Microgrids und Microgrid-Verbundnetzen
Language: German
Abstract:

Die Energiewende erfordert einen Paradigmenwechsel bei der Regelung elektrischer Energienetze. Während in der Vergangenheit ein Großteil der elektrischen Energie in großen Kraftwerken auf der Höchstspannungsebene erzeugt wurde und das Energienetz daher "von oben" geregelt werden konnte, ist absehbar, dass in Zukunft immer mehr Energie durch kleine Anlagen dezentral erzeugt wird. Die Regelung des Netzes muss dann "von unten" her geschehen.

Im Prinzip lassen sich viele der für die Regelung des konventionellen Energienetzes verwendeten Konzepte auf die Niederspannungsebene übertragen. Während im konventionellen Energienetz jedoch nur wenige große Kraftwerke zu koordinieren sind, müssen im Energienetz der Zukunft Myriaden kleiner Anlagen gemeinsam agieren, um die Regelziele umzusetzen. Diese Komplexitätszunahme stellt eine große Herausforderung dar.

Seit etwa der Jahrtausendwende wird das Microgrid-Konzept als ein wesentliches Bauteil angesehen, um das Teile-und-herrsche-Prinzip auf die Regelung von Energienetzen zu übertragen und der Komplexitätszunahme entgegenzusetzen. Der Grundgedanke lautet etwa so: Wenn jedes Microgrid für sich funktionsfähig ist, sollte das Zusammenschalten der Microgrids zu größeren Netzen keine allzu große Herausforderung mehr darstellen. Sollte es im Gesamtnetz doch zu Schwierigkeiten kommen, können die Microgrids sich vom Gesamtnetz trennen und die Energieversorgung ist weiterhin gewährleistet.

Die vorliegende Arbeit handelt von genau diesem Konzept für umrichterbasierte Energienetze. Es werden von Grund auf die wichtigsten Regelkreise diskutiert, die für den Betrieb eines Microgrids im Inselmodus erforderlich sind. Dann wird sich dem Zusammenschalten von Microgrids zu Microgrid-Verbundnetzen zugewandt. Durch eine Kaskadenregelung können die schon für die Regelung eines Microgrids entwickelten Algorithmen auf die Regelung von Microgrid-Verbundnetzen übertragen werden. Die Kaskadierung kann beliebig fortgesetzt werden, um Microgrid-Verbundnetze zu noch größeren Energienetzen zusammenzuschalten. Obwohl in dieser Arbeit modellbasierte Ansätze präsentiert werden, müssen dem Teile-und-herrsche-Prinzip folgend immer nur Teilmodelle berücksichtigt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The energy transition requires a paradigm shift regarding the regulation of electrical power systems. In the past, most of the electrical energy was generated in large power plants at the highest voltage level and the power system thus could be regulated "from the top". In the future however, the share of small decentralized energy systems will increase and the power system will have to be regulated "from the bottom".

In principle, many of the concepts used to regulate the conventional power system can be transferred to lower voltage levels. While only a few large power plants need to be coordinated in the conventional energy network, in future power systems myriads of small plants will have to act together to implement the control objectives. This increase in complexity poses a major challenge.

Since around the turn of the millennium, the microgrid concept has been seen as an essential component in order to transfer the divide-and-conquer principle to the regulation of energy networks and to counteract this increase in complexity. The basic idea is something like this: If every microgrid is functional in itself, interconnecting the microgrids to form larger networks should not be too much of a challenge. Should difficulties arise in the overall network, the microgrids can disconnect from the overall network and the energy supply is still guaranteed.

The presented work deals with exactly this concept for inverter-based power systems. The most important control loops required for operating a microgrid in islanded mode are discussed thoroughly. Then, microgrids are coupled to form a power system of interconnected microgrids. Using cascade control, the algorithms already developed for controlling single microgrids can also be applied to control power systems of interconnected microgrids. The cascading can be continued as required and the same control algorithms can also be applied to form even larger power systems. Although model-based approaches are presented in this work, following the divide-and-conquer approach, only partial models have to be considered at each step.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XII, 116 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Control Systems and Mechatronics
Date Deposited: 19 Oct 2021 07:51
Last Modified: 19 Oct 2021 07:51
DOI: 10.26083/tuprints-00019697
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-196972
Referees: Konigorski, Prof. Dr. Ulrich ; Griepentrog, Prof. Dr. Gerd
Refereed: 2 September 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19697
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