Aktuelle Forschungsprojekte
Sie finden hier aktuelle Projekte, die die Forschungsarbeit des Instituts repräsentieren.
AKTIRES- Aktive verlustarme Dämpfung von Resonanzen in Niederspannungsnetzen
Kurzbeschreibung (Deutsch)
Der von der Bundesregierung geplante Umbau der deutschen Energieversorgung im Rah-men der Energiewende ist nur durch erhebliche technologische Innovationen machbar. Ist die klassische Energieversorgung durch zentrale Erzeugung mit wenigen Generatoren und großem Beitrag zur Kurzschlussleistung gekennzeichnet, so entsteht jetzt ein Versorgungs-netz mit vielen dezentralen, regenerativen Einspeisepunkten (Photovoltaik, Windenergie, Blockheizkraftwerke), die aus technischer Sicht durch einen erheblich geringeren Beitrag zur Kurzschlussleistung gekennzeichnet sind.
Dadurch bedingt ändert sich die Topologie der Versorgungsnetze umfassend. Meist speisen regenerative Einspeiseeinrichtungen mittels Inverter in das Versorgungsnetz ein. Durch die steigende Anzahl dezentraler Erzeugungsanlagen und die zunehmende Reduktion der Kurz-schlussleistung wird das Versorgungsnetz mehr und mehr anfällig für Instabilitäten.
Darüber hinaus hat sich die Verbraucherseite in den letzten Jahren ebenfalls sehr stark ver-ändert. Energieeffiziente Antriebe sind mittels Umrichter mit dem Versorgungsnetz gekop-pelt. Hierdurch wird das Versorgungsnetz mit höheren Frequenzanteilen (Oberschwingun-gen) in den Netzströmen belastet. Dies führt in Verbindung mit der dezentralen Einspeisung zu einer weiteren Erhöhung des Risikos für die genannten Instabilitäten.
Bedingt durch in einer Netzstruktur immer vorhandenen Induktivitäten (hauptsächlich Trans-formatoren) und Kapazitäten (hauptsächlich Kabel, Blindstromkompensationsanlagen, Filter-schaltungen in energieeffizienter Leistungselektronik) treten verstärkt Resonanzstellen auf. An einer Resonanzstelle können durch Energie-Pendelungen unkontrollierbare Überhö-hungen von Spannungen und Strömen auftreten, die dann zur ungewollten Abschaltung bis zur Zerstörung von Anlagenteilen führen können. Eine Resonanzstelle stellt somit einen in-stabilen Punkt innerhalb eines Netzverbundes dar.
Die Frequenz, bei der eine Resonanzstelle auftritt, wird durch Werte von Induktivität und Kapazität im Netz bestimmt. Mit sinkender Kurzschlussleistung verlagern sich die Frequenz-bereiche einer Resonanzstelle und können kritische Bereiche unterhalb von 1 kHz erreichen.
Grundsätzlich treten Resonanzen sowohl in industriellen als auch in öffentlichen Netzen auf. Während in Industrienetzen die für die Resonanz verantwortlichen Kapazitäten oft be-stimmten Geräten eindeutig zuzuordnen sind, wird die wirkende Kapazität in öffentlichen Netzen maßgeblich durch die große, unkontrollierbare Anzahl verteilter leistungselektroni-scher Geräte und Kapazitäten (z.B. in dezentral kompensierten Beleuchtungseinrichtungen) bestimmt.
Physikalisch betrachtet könnte eine Resonanz durch ohmsche Widerstände gedämpft wer-den. War diese Dämpfung in der Vergangenheit durch viele ohmsche Verbraucher (z.B. Glühlampen) immanent vorhanden, so verschwindet diese „natürliche“ Dämpfung mehr und mehr aus den Netzen. Denkbar wäre nunmehr die gezielte Einbringung von ohmscher Belas-tung (Widerstände) in die Netze. Auf Grund der damit einhergehenden hohen Verlustleistung ist dieser Weg aber bis auf Einzelfälle nicht praktikabel.
Nach dem Stand der Technik sind aktive Filter bekannt, um Oberschwingungen in einem Netz zu kompensieren und damit das Netz in gewissen Grenzen zu stabilisieren. Allerdings kompensieren aktive Filter derzeit nur die ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz, können also die Anregung einer Resonanz mit einer (nahezu) beliebigen Frequenz nicht kompensie-ren.
Alle realisierten Filter beruhen auch darauf, dass eine einzelne Kundenanlage maßgeblich zur Anregung einer Resonanz beiträgt und deren Strom messtechnisch erfasst und kom-pensiert wird. Dies führt in Industrienetzen zu einem erheblichen Installationsaufwand und ist insbesondere in gewachsenen Industrienetzen oft nicht mit vertretbaren Kosten zu realisieren.
In öffentlichen Netzen ist dieser strombasierte Ansatz aufgrund der Vielzahl von kleinen Ge-räten, welche in ihrer Summe zur Resonanzanregung führen, nicht anwendbar.
Es müssen also andere geeignete Maßnahmen zur Resonanzvermeidung und –dämpfung getroffen werden. Genau dafür wird im Rahmen des Forschungsprojektes ein neues Verfah-ren ausgearbeitet und prototypisch entwickelt. Ziel ist die Entwicklung eines Systems zur aktiven, verlustarmen Dämpfung von Resonanzen in Echtzeit für die Anwendung in in-dustriellen und öffentlichen Niederspannungsnetzen mittels eines leistungselektronischen Stellgliedes und einer geeigneten Signalverarbeitung.
Das System soll ohne Erfassung der Verbraucherströme arbeiten und wäre dadurch prak-tisch ohne Eingriff in vorhandene Installationen realisierbar.
Dadurch bedingt ändert sich die Topologie der Versorgungsnetze umfassend. Meist speisen regenerative Einspeiseeinrichtungen mittels Inverter in das Versorgungsnetz ein. Durch die steigende Anzahl dezentraler Erzeugungsanlagen und die zunehmende Reduktion der Kurz-schlussleistung wird das Versorgungsnetz mehr und mehr anfällig für Instabilitäten.
Darüber hinaus hat sich die Verbraucherseite in den letzten Jahren ebenfalls sehr stark ver-ändert. Energieeffiziente Antriebe sind mittels Umrichter mit dem Versorgungsnetz gekop-pelt. Hierdurch wird das Versorgungsnetz mit höheren Frequenzanteilen (Oberschwingun-gen) in den Netzströmen belastet. Dies führt in Verbindung mit der dezentralen Einspeisung zu einer weiteren Erhöhung des Risikos für die genannten Instabilitäten.
Bedingt durch in einer Netzstruktur immer vorhandenen Induktivitäten (hauptsächlich Trans-formatoren) und Kapazitäten (hauptsächlich Kabel, Blindstromkompensationsanlagen, Filter-schaltungen in energieeffizienter Leistungselektronik) treten verstärkt Resonanzstellen auf. An einer Resonanzstelle können durch Energie-Pendelungen unkontrollierbare Überhö-hungen von Spannungen und Strömen auftreten, die dann zur ungewollten Abschaltung bis zur Zerstörung von Anlagenteilen führen können. Eine Resonanzstelle stellt somit einen in-stabilen Punkt innerhalb eines Netzverbundes dar.
Die Frequenz, bei der eine Resonanzstelle auftritt, wird durch Werte von Induktivität und Kapazität im Netz bestimmt. Mit sinkender Kurzschlussleistung verlagern sich die Frequenz-bereiche einer Resonanzstelle und können kritische Bereiche unterhalb von 1 kHz erreichen.
Grundsätzlich treten Resonanzen sowohl in industriellen als auch in öffentlichen Netzen auf. Während in Industrienetzen die für die Resonanz verantwortlichen Kapazitäten oft be-stimmten Geräten eindeutig zuzuordnen sind, wird die wirkende Kapazität in öffentlichen Netzen maßgeblich durch die große, unkontrollierbare Anzahl verteilter leistungselektroni-scher Geräte und Kapazitäten (z.B. in dezentral kompensierten Beleuchtungseinrichtungen) bestimmt.
Physikalisch betrachtet könnte eine Resonanz durch ohmsche Widerstände gedämpft wer-den. War diese Dämpfung in der Vergangenheit durch viele ohmsche Verbraucher (z.B. Glühlampen) immanent vorhanden, so verschwindet diese „natürliche“ Dämpfung mehr und mehr aus den Netzen. Denkbar wäre nunmehr die gezielte Einbringung von ohmscher Belas-tung (Widerstände) in die Netze. Auf Grund der damit einhergehenden hohen Verlustleistung ist dieser Weg aber bis auf Einzelfälle nicht praktikabel.
Nach dem Stand der Technik sind aktive Filter bekannt, um Oberschwingungen in einem Netz zu kompensieren und damit das Netz in gewissen Grenzen zu stabilisieren. Allerdings kompensieren aktive Filter derzeit nur die ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz, können also die Anregung einer Resonanz mit einer (nahezu) beliebigen Frequenz nicht kompensie-ren.
Alle realisierten Filter beruhen auch darauf, dass eine einzelne Kundenanlage maßgeblich zur Anregung einer Resonanz beiträgt und deren Strom messtechnisch erfasst und kom-pensiert wird. Dies führt in Industrienetzen zu einem erheblichen Installationsaufwand und ist insbesondere in gewachsenen Industrienetzen oft nicht mit vertretbaren Kosten zu realisieren.
In öffentlichen Netzen ist dieser strombasierte Ansatz aufgrund der Vielzahl von kleinen Ge-räten, welche in ihrer Summe zur Resonanzanregung führen, nicht anwendbar.
Es müssen also andere geeignete Maßnahmen zur Resonanzvermeidung und –dämpfung getroffen werden. Genau dafür wird im Rahmen des Forschungsprojektes ein neues Verfah-ren ausgearbeitet und prototypisch entwickelt. Ziel ist die Entwicklung eines Systems zur aktiven, verlustarmen Dämpfung von Resonanzen in Echtzeit für die Anwendung in in-dustriellen und öffentlichen Niederspannungsnetzen mittels eines leistungselektronischen Stellgliedes und einer geeigneten Signalverarbeitung.
Das System soll ohne Erfassung der Verbraucherströme arbeiten und wäre dadurch prak-tisch ohne Eingriff in vorhandene Installationen realisierbar.
Zeitraum
01.09.2018 - 31.08.2021
Art der Finanzierung
Drittmittel
Projektleiter
- Herr Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner
- Herr Dr.-Ing. Jan Meyer
Projektmitarbeiter
- Herr M.Sc. Shrinath Kannan
Finanzierungseinrichtungen
- BMWi - Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Kooperationspartnerschaft
national
Externe Kooperationspartner
- Hansjürgen Schäfer, Schäfer Elektronik GmbH (Deutschland)
- Hansjörg Rietsche, FRAKO Kondensatoren- und Anlagenbau GmbH (Deutschland)
- Markus Pfaffinger, bitshift dynamics GmbH (Deutschland)
- Prof. Dr.-Ing. Heinrich Steinhart, Hochschule Aalen (Deutschland)
Website zum Projekt
Relevant für den Umweltschutz
Ja
Relevant für Multimedia
Nein
Relevant für den Technologietransfer
Nein
Schlagwörter
Anregung der Resonanz, Energie-Pendelungen
Berichtsjahr
2020