Elektrische Energiesysteme

This dissertation examines how Electric Vehicles (EVs) can be integrated into Low Voltage (LV) distribution grids, focusing on Hamburg, Germany. Using real-world data and simulations, it analyzes EV charging patterns, proposes communication-based demand response strategies, and demonstrates methods to reduce grid congestion while improving energy efficiency and system resilience.

Elektrische Übertragungs- und Verteilnetze zählen zur kritischen Infrastruktur (KRITIS). Ausfälle in diesen Netzen können, je nach betroffener Region, Schweregrad und Ausfalldauer, zu langanhaltenden Versorgungs-unterbrechungen, massiven Störungen der öffentlichen Ordnung und erheblichen wirtschaftlichen sowie gesellschaftlichen Schäden führen. Vor dem Hintergrund zunehmender hybrider Bedrohungen ist ein wirksamer Schutz dieser Infrastrukturen ein zentrales Element staatlichen Risiko- und Krisenmanagements. Die vorliegende Studie führt eine Risikoanalyse für den Großraum Hamburg durch, um Betriebsmittel zu identifizieren, die durch gezielte physische Angriffe mit geringem technischen Aufwand – etwa Brandanschläge, Vandalismus oder mechanische Beschädigungen – erheblich gestört oder außer Betrieb gesetzt werden können. Die Analyse zeigt, dass öffentlich zugängliche Quellen (Open-Source Intelligence, OSINT) ausreichen, um kritische Schwachstellen zu lokalisieren und potenzielle Ziele zu identifizieren. Zur Bewertung der Bedrohungslage wurde eine Matrix entwickelt, welche den erforderlichen Aufwand sowie die potenziellen Auswirkungen verschiedener Angriffsszenarien systematisch gegenüberstellt. Darauf aufbauend werden Schutzmaßnahmen vorgeschlagen, die in Feldversuchen validiert wurden. Besonders exponiert und angreifbar zeigen sich dabei Freileitungen sowie Umspann- und Umschaltwerke als zentrale Knotenpunkte der Netzinfrastruktur.

Electrification of aviation with fuel cells requires a redundant and fail-safe system design. To achieve this, multi-3phase systems can offer advantages through segmentation and redundancy. Fuel cell systems, directly coupled to the machine segments without additional batteries, enable additional increases in energy and power density. In this work, multi-source multi-3-phase propulsion system architectures are presented, tested and validated, which show advantages regarding the redundancy of propulsion systems. It is shown that the system is able to compensate multiple failing segments during partial loading.

The focus on electrification in urban public transit has been strengthened by the global shift towards sustainable transportation. A promising solution to reduce emissions and dependence on fossil fuels is electric buses. However, the widespread implementation of electric buses requires a robust charging infrastructure capable of meeting the operational demands. This work addresses many challenges and limitations facing the spread of electric buses using optimization methodologies. It includes varies parameters, which affect the planning of the required charging infrastructure such as available area, charging capacity, and optimum total costs. Also, this work examines the robustness of the charging infrastructure, where many possible failure scenarios of the components are considered. In this part, potential effects on planned routes and buses are used as an indicator for the severity of failures. Additionally, the ability of bus depots to supply ancillary services is analyzed. In this context, the advantages of implementing either load management or stationary batteries or even both are evaluated.

Die Energiewende bringt durch die Nutzung von umweltfreundlichen Stromerzeugungsanlagen eine Instabilität beziehungsweise Variabilität in der Stromerzeugung mit sich. Um diese Variabilität auszugleichen und ein eigenständiges funktionsfähiges Netzsystem entwerfen zu können, sind Microgrids eine mögliche Lösung. Microgrids bieten Flexibilität in Bezug auf die Stromerzeugung und Stabilität des zu versorgenden Netzes, da sie mehrere Energieerzeugungsanlagen umfassen und daher auch unabhängig vom Hauptnetz betrieben werden können. Die Integration von Brennstoffzellen in Microgrids kann durch die Gewährleistung einer abrufbaren Energieerzeugung, in Kombination mit umweltfreundlichen Anlagen, ein stabiles Gesamtsystem bilden. Hierbei wird für ein stabiles System ein Leistungsgleichgewicht vorausgesetzt, weshalb eine Unterstützung der Energieaufnahme und -abgabe in Form von Energiespeichern notwendig ist. Dadurch kann die überschüssige variable Energie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden. Eine nötige Komponente für die Flexibilität und Stabilität des Energieflusses im System umfasst das Energiemanagement. In dieser Untersuchung wurde dies in Form einer State-Machine realisiert. Hierbei wird die Batterieleistung je nach Anforderung der Last mit Hinblick auf den State of Charge (SoC) des Energiespeichers gesteuert. Falls die Batterie nicht in der Lage ist das System zu stützen, erfolgt eine Widerstandsanpassung. Da die Verwendung einer State-Machine mit einigen Nachteilen, wie Zustandsänderungen und Oszillationen verbunden ist, werden hierfür Gegenmaßnahmen, wie die Implementierung einer Hysterese für den SoC und die Verwendung von Gradienten-Begrenzungen für die Last, getroffen. Das Ergebnis der Untersuchung beinhaltet die erfolgreiche Umsetzung eines autarken Microgrids durch das beschriebene Energiemanagement-System für unterschiedliche Betriebsfälle.

Dezentrale Energiequellen wie Photovoltaik- und Windenergieanlagen sowie Batteriespeicher und Brennstoffzellen werden über leistungselektronische Bauelemente an das Netz angeschlossen. Diese Bauelemente werden über programmierbare Controller geregelt, um z. B. Aufgaben wie Leistungsmaximierung, Spannungs- und Frequenzregelung zu übernehmen. Dabei spielt die Wahl der Regelparameter der Controller eine wichtige Rolle. Diese bestimmen die Reaktionszeit und Resilienz der Systeme im stationären Betrieb sowie bei transienten Vorgängen. Da leistungselektronische Bauelemente wie Wechselrichter einen nichtlinearen Charakter aufweisen, muss eine Bewertung der Regelparameter über den gesamten Arbeitsbereich erfolgen. In dieser Arbeit wird ein Prototyp vorgestellt, der zur automatisierten Bewertung transienter Vorgänge in Microgrids eingesetzt werden kann. Der Prototyp besteht aus in Gruppen segmentierten Hochlastwiderständen, die über Halbleiterrelais geschaltet werden können. Ein zentraler Echtzeitsimulator dient als Kommunikationsinterface sowie Steuerungsrechner. In einem Niederspannungsinselnetz im Labormaßstab (10 kW) kann die Funktionsweise des Prototyps bei variierenden Lastzuständen und Regelparametern validiert werden.

Zur Messung der zeit- und frequenzabhängigen Netzimpedanz werden an der Professur für elektrische Energiesysteme der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg mobile Messanlagen für die Mittel- und Hochspannung entwickelt. Diese Arbeit beschreibt den Lösungsansatz zum Erlangen der Spannungsfestigkeit der 110-kV-Messanlage unter dem Einsatz minimaler Mittel und der Verwendung des bestehenden Designs.

Der Luftfahrt stehen in naher Zukunft einige notwendige Veränderungen bevor. Während die Flugkilometer voraussichtlich weiter steigen werden, müssen die Emissionen global drastisch gesenkt werden. Neben Antriebssystemen, die die Emissionen reduzieren, scheint das Ziel des emissionsfreien Fliegens nur durch elektrische Antriebe realisierbar zu sein. Eine hier untersuchte Möglichkeit stellt das Fliegen mittels Wasserstoff-Brennstoffzellen dar. Mithilfe von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien kann ein Antriebssystem ohne CO₂ oder NOₓ Emissionen verwirklicht werden. Dazu wird ein neuartiges Antriebssystem nach dem H₂-to-Torque-Konzept vorgestellt, wodurch auf eine vereinfachte Elektronik ohne Gleichspannungswandler zurückgegriffen werden kann. Durch ein Multisegment-System enthält das Antriebssystem eine inhärente Redundanz, die im Fehlerfall den sicheren Betrieb weiterhin gewährleistet. Die elektronische Architektur beinhaltet Motor String Power Control Units, welche den hybriden elektrischen Energiefluss aus Brennstoffzelle und Batterie regeln. Nachgeschaltet sind jeweils Motor Control Units, die die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandeln, um den Elektromotor anzutreiben.

Diese Veröffentlichung beschreibt den Aufbau, die Vermessung und die Bewertung von Netzimpedanznachbildungen zur Analyse von Störaussendungen von elektrischen Verbrauchern der Niederspannungsebene. Grundlage für den Amplituden- und Phasengang der Netzimpedanz ist die Norm DIN IEC/TS 62578, die für Frequenzen bis 9 kHz gültig ist. Da die Impedanznachbildung aus einem Netzwerk aus passiven Bauteilen besteht, wird der Einfluss von Bauteiltoleranzen auf den Amplituden- und Phasengang der Impedanz untersucht. Dafür werden mittels Parametervariation alle Kombinationen der Toleranzen simuliert, um die maximalen Abweichungen vom definierten Verlauf zu bestimmen. Aus dem Vergleich der Vermessung mit den Simulationen der Bauteiltoleranzen sind Optimierungspotentiale für die Netznachbildung ableitbar.