Elektrische Energiesysteme

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.

In diesem Beitrag wird der technische Bericht zum Kooperationsprojekt „watching impedance resonances to exploit unused potentials” – zu Deutsch “Resonanzstellenbeobachtung zur Kapazitätsausschöpfung“ (WIRE-UP) vorgestellt. Um das Temperaturmonitoring an unterschiedlichen Kabelgeometrien zu validieren, wurden 5 Kabeltypen, davon 3 bei Niederspannung und 2 bei Mittelspannung, in einem Klimacontainer vermessen. So konnten die elektrischen Eigenschaften mit den Betriebstemperaturen korreliert werden. Der Bericht umfasst Testobjekte inklusive wesentlicher elektrischer Eigenschaften, eingesetzte Großgeräte, notwendige Peripherie und den Messaufbau. Es wird gezeigt, dass der Aufbau geeignet ist, um das Verfahren zu validieren. Der Ausblick beschreibt zukünftige Verbesserungen und aktuelle Limitationen.

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.

Dieses Paper stellt die Erweiterung eines Sensorprüfstandes zur Vermessung von Strom- und Spannungssensoren im Frequenzbereich von 50 Hz bis 100 kHz vor. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Integration von einem Messgerät der DEWETRON GmbH in den bestehenden Prüfstand, um die gesamte Messkette einschließlich einer Messkarte für Drehstromanschlüsse zu testen. Um den Sensorprüfstand zu erweitern war eine Hard- und Softwareanpassung nötig. Dies wurde durch Integrierung von SCPI-Befehlen in das vorhandene Programm erreicht, um eine direkte Kommunikation mit dem Messgerät und eine automatisierte Durchführung der Messung zu ermöglichen. Ebenfalls bietet das Paper einen Einblick in die theoretischen Grundlagen des Messverfahrens und zeigt, wie diese Prinzipien in der praktischen Umsetzung des Prüfstands Anwendung finden und zu einem Ergebnis gelangen. Die Vorteile der Integration eines Messgerätes gegenüber der alleinigen Vermessung von Sensoren, wie zum Beispiel eine verbesserte Synchronisation und die Prüfung weitere Bestandteile der Messkette, werden hervorgehoben. Abschließend präsentiert das Paper ein konkretes Beispiel von Messergebnissen, die mit dem erweiterten Sensorprüfstand erzielt wurden. Dieses Ergebnis demonstriert die erhöhte Genauigkeit des Systems in verschiedenen Anwendungsszenarien. Das Paper schließt mit einem Ausblick auf zukünftige Anwendungsmöglichkeiten und potenzielle Weiterentwicklungen in der Sensormesstechnik ab, was die Bedeutung dieser Forschung für verschiedene Industriezweige nochmal verdeutlicht, und die Wichtigkeit unterstreicht.

Zusätzlich zur Dekarbonisierung kann eine robuste Ansteuerung einer Multistrang-Wasserstoffanlage mit integrierter Sektorkopplung zur Netzstabilität beitragen. Dies erfordert eine effiziente Interaktion zwischen den Sektoren. In diesem Beitrag wird eine modellierte Doppelstrang-Wasserstoffanlage bestehend aus einer Brennstoffzelle und einem Elektrolyseur untersucht, um die Entwicklung der für diese Ansteuerung notwendigen Schnittstellen unabhängig von realen Versuchsanlagen zu beschleunigen. Zur Validierung der Modellierung werden zwei unterschiedliche Betriebsszenarien untersucht, nämlich Spitzenlastglättung (Peak Shaving) und Regelenergie.

Im Projekt KoLa werden zwei Systeme entwickelt: ein System zur Koordination flexibler Anlagen im Niederspannungsnetz und ein System zur Optimierung des Energiebedarfs elektrifizierter Busdepots. Ziel des ersten Systems ist es, Netzüberlastungen zu vermeiden, indem Netzteilnehmer ihre elektrischen Fahrpläne an die Koordinierungsfunktion (KOF) senden. Bei drohender Überlastung werden die Leistungsdimmungen mit dem Ziel einer fairen Aufteilung vorgenommen. Zuerst erfolgt die Umsetzung eines Prototyps, der dann mit Erweiterungen iterativ ausgebaut wird. Das zweite System konzentriert sich auf die Optimierung des Energiebedarfs von Busdepots. Das Energy Efficiency Framework (EEF) berücksichtigt dabei verschiedene Faktoren wie den Busbetrieb und einfließende Strommarktdaten. Ein stationäres Batteriespeichersystem mit 4 MW Leistung wurde implementiert, um u. a. Netzlasten zu reduzieren. Das EEF und die KOF interagieren, um die flexiblen Ladezeiten der Busse präventiv an Netz- und Marktbedingungen anzupassen. Langfristig soll das System die Lastprofile im Rahmen der gegebenen Flexibilitäten optimieren.

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.

Durch die zunehmende Elektrifizierung der Schiffskomponenten gewinnt die Betrachtung der Power Quality in Schiffsbordnetzen an Signifikanz. Diese Forschungsarbeit untersucht die Power Quality verschiedener kommerzieller elektrischer Verbraucher im Zusammenspiel mit Generatoren auf Schiffen. Dabei wurden Luftverdichter, eine Lüftungsanlage mit Zulüfter, ein Klimagerät, ein Sanitärgerät mit externem elektrischen Nachheizregister, ein Ablüfter für die Kombüse und ein Kaltwassersatz für die Klimatisierung untersucht. Die Untersuchung umfasst die Analyse dreiphasiger Spannungs- und Stromverläufe sowohl vor als auch während des Betriebs der Geräte. Aus diesen Verläufen werden die Power Quality-Kriterien direkt oder nachträglich ausgewertet. Eine Einschränkung der Messungen bestand darin, dass keine reine Sinus-Spannung als Versorgungsspannung zur Verfügung stand, da in Realumgebung gemessen wurde. Diese Einschränkung wird zukünftig durch die Auswertemethode und Vergleichsmessung mit einzelnen Verbrauchern an idealer Sinus-Spannung migriert.

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.