Virtuelle Synchron Maschine (VISMA) - Forschungsverbund Energie ...
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Dezentrale Netze und <strong>Energie</strong>speicher<br />
Umrichtersysteme<br />
Dipl.-Ing. Abdelkader Guetif, TU Braunschweig<br />
Dipl.-Ing. Yong Chen, TU Clausthal<br />
Dipl.-Ing. Lennart Baruschka, Leibniz Universität Hannover<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Ziele des Clusters<br />
Entwicklung von Umrichtertechnologien zur Netzanbindung<br />
von <strong>Energie</strong>speichern<br />
• Erprobung und Bewertung von Regelungsverfahren<br />
• Verbesserung der Netzqualität durch Wechselrichter mit<br />
<strong>Synchron</strong>maschinenverhalten (<strong>VISMA</strong>)<br />
• Solidarischer <strong>Energie</strong>ausgleich zwischen verteilt installierten Anlagen<br />
ohne Kommunikationsverbindung<br />
• Untersuchung elektrischer <strong>Energie</strong>speicher<br />
• Anbindung von Superkondensatoren an Netzumrichter<br />
• Untersuchung von Umrichterkonzepten zur Anbindung von<br />
elektrischen <strong>Energie</strong>speichern an das Mittelspannungsnetz<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Gliederung<br />
• Klassifizierung von <strong>Energie</strong>speichern<br />
• Vorstellung des Regelungskonzepts „VIrtuelle <strong>Synchron</strong> MAschine“<br />
(<strong>VISMA</strong>)<br />
• Entwicklung eines DC/DC- Wandlers zur Anbindung von SuperCaps<br />
an Netzumrichter (z.B. <strong>VISMA</strong>)<br />
• Umrichtertopologien zur Speicheranbindung an Mittelspannungsnetze<br />
• Zusammenfassung & Ausblick<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Klassifizierung elektrischer <strong>Energie</strong>speicher<br />
• Elektrische Speicher unterscheiden<br />
sich hinsichtlich ihrer <strong>Energie</strong>- und<br />
Leistungsdichte erheblich voneinander<br />
• Aufteilung in Kurzzeit- und<br />
Langzeitspeicher<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
Kurzzeitspeicher Langzeitspeicher<br />
Superkondensatoren Druckluftspeicher<br />
Schwungmassenspeicher<br />
Supraleitende<br />
Magnetische<br />
<strong>Energie</strong>speicher<br />
(SMES)<br />
Pumpspeicher<br />
Brennstoffzellen mit<br />
Elektrolyse<br />
Elektrochemische Batteriespeicher<br />
Superkondensatormodul mit 21,6V und 81F Schwungmassenspeicher (Schnitt): 10kWh<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Klassifizierung elektrischer <strong>Energie</strong>speicher<br />
(Quellen: EU 2001, ISET, Kassel, IMAB)<br />
100MW<br />
10MW<br />
1MW<br />
100kW<br />
10kW<br />
1kW<br />
100W<br />
1-second storage<br />
1-minute storage<br />
1-hour storage<br />
1-day storage<br />
1-week storage<br />
1-month storage<br />
10 100 1000 10 100 1000 10<br />
kWh<br />
Wh MWh<br />
Energy batteries Power batteries<br />
Compressed air<br />
Primärregelung Sekundärregelung<br />
Bridging<br />
Power Quality & UPS Power<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
Redox-flow and<br />
reversible fuel cells<br />
Supercapacitors Flywheels<br />
Energy<br />
Management<br />
Tertiärregelung<br />
100<br />
1000<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
VIrtuelle <strong>Synchron</strong> MAschine (<strong>VISMA</strong>)<br />
• Am Netz angeschlossene <strong>Synchron</strong>maschinen wirken durch ihre<br />
rotierende Masse stabilisierend<br />
• Regelungsmodell „<strong>VISMA</strong>“ soll dieses Verhalten auf (Einspeise-)<br />
Wechselrichter übertragen<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
VIrtuelle <strong>Synchron</strong> MAschine (<strong>VISMA</strong>)<br />
• Abbildung aller wichtigen Motorparameter auf die Regelungsstruktur<br />
• Vorgabe von Drehmoment und Erregung bestimmt Verhalten des<br />
Umrichters<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
VIrtuelle <strong>Synchron</strong> MAschine (<strong>VISMA</strong>)<br />
• Aufbau und Test des ersten <strong>VISMA</strong>-Prototyps am Netz des<br />
<strong>Energie</strong>parks Clausthal-Zellerfeld<br />
Schrank und Prozeßrechner Batteriesystem<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
Vorhandene Generatoren<br />
im Mikronetz (Auswahl)<br />
25 kW (Gasmotor)<br />
50 kW (Diesel + Asynchrongen.)<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
VIrtuelle <strong>Synchron</strong> MAschine (<strong>VISMA</strong>)<br />
• Kompensation von Netzschwingungen bei Inselnetzbetrieb des<br />
<strong>Energie</strong>parks Clausthal-Zellerfeld<br />
Schnell abklingende Netzschwingung<br />
bei intensivem <strong>VISMA</strong>-Eingriff<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
Netzschwingung vollständig eliminiert<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
Multi-<strong>VISMA</strong>-Betrieb<br />
Vorabsimulation: Starklastaufnahme und -reaktion<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Entwicklung eines DC/DC Wandlers für<br />
SuperCaps am Umrichter-Zwischenkreis<br />
• Ausgleich von Netzstörungen im Sekundenbereich führt zu hoher<br />
Wechselbelastung des <strong>Energie</strong>speichers<br />
� Einsatz von Superkondensatoren Speicher hoher Leistung<br />
• Spannung / Ladezustand � Bidirektionaler DC/DC Wandler nötig<br />
Supercap<br />
16 F<br />
ESR<br />
L1<br />
<strong>Energie</strong>fluss<br />
Netzankopplung<br />
C1<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
(z.B. <strong>VISMA</strong> WR)<br />
Netz<br />
Niedersachsen<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Simulationsmodell des bidirektionalen Hoch-Tiefsetzstellers Niedersachsen<br />
mit Nachbildung einer 50Hz/50V-Netzstörung am Gleichspannungszwischenkreis<br />
Simulierter Stromverlauf in der Speicherdrossel Simulierte Zwischenkreis-Spannungsverläufe<br />
bei einer 50V/50Hz Netz-Störung<br />
bei einer 50V/50Hz Netz-Störung<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
Laboraufbau bidirektionaler Hoch-<br />
Tiefsetzsteller (50 kW)<br />
Speicherdrossel<br />
LEM Modul<br />
Halbbrücke<br />
IGBT<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
Treiberplatine<br />
µC Steuerung<br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Umrichtertopologien für Speicher am<br />
Mittelspannungsnetz<br />
• Im Niederspannungsbereich üblich:<br />
2-Punkt Umrichter<br />
• Nachteil: Steile Flanken der Ausgangsspannung<br />
� Filterung<br />
notwendig, Alterung der Isolierung,<br />
EMV- Problematik<br />
• Einsatz einer Multilevel- Topologie<br />
opportun<br />
Mehrere Topologien zur Auswahl:<br />
• Diode-Clamped<br />
• Capacitor-Clamped<br />
• Cascaded H-Bridge (CHB)<br />
• Modular Multilevel Converter (M²C)<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
Niedersachsen<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Modulare Mittelspannungsumrichter<br />
u o<br />
Cascaded H-Bridge (CHB) Modular Multilevel Converter (M²C)<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Zweig<br />
u q;n<br />
Speicherbetrieb: Viele kleine <strong>Energie</strong>speicher Speicherbetrieb: Ein großer <strong>Energie</strong>speicher<br />
Einspeisebetrieb: Viele kleine Quellen Einspeisebetrieb: Eine große Quelle<br />
starke Wechselbelastung der Speicher Wechselbelastung gering<br />
nur tiefsetzstellender Betrieb hoch- und tiefsetzstellender Betrieb möglich<br />
mittlere Anforderungen an Regelung hohe Anforderungen an Regelung<br />
R ZK<br />
L ZK<br />
u d<br />
2<br />
u d<br />
2<br />
2<br />
2<br />
L ZK<br />
2<br />
R ZK<br />
2<br />
u ZK<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
L Zw<br />
i quer1<br />
L Zw<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
u Zh1<br />
i h1<br />
i o1<br />
i l1<br />
u Zl1<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Mod.<br />
Zweig<br />
u C<br />
u o<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
Zusammenfassung & Ausblick<br />
• Untersuchung von <strong>Energie</strong>speichern<br />
• Weiterentwicklung des Konzepts „VIrtuelle <strong>Synchron</strong> MAschine“<br />
• Aufbau und Test mehrerer Einspeiseumrichter mit <strong>VISMA</strong>-Regelung<br />
• Untersuchung von Umrichtertopologien und Regelungskonzepten<br />
für die Einspeisung in Niederspannungs- und Mittelspannungsnetze<br />
Ausblick:<br />
• Anbindung von Kurzzeitspeichern an Netzumrichter (z.B. <strong>VISMA</strong>,<br />
auch Test mit alternativen Regelungsverfahren)<br />
• Kopplung mehrerer <strong>VISMA</strong>-Umrichter mit <strong>Synchron</strong>maschinen,<br />
Erprobung des Parallelbetriebs der Kraftwerkregler<br />
• Bau und Erprobung eines Mittelspannungsumrichters<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
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TU Braunschweig TU Clausthal Uni Hannover FH Hannover CUTEC GmbH OFFIS Uni Oldenburg <strong>Forschungsverbund</strong><br />
<strong>Energie</strong><br />
Niedersachsen<br />
<strong>Forschungsverbund</strong> <strong>Energie</strong> Niedersachsen<br />
FEN Vortrag „Umrichtersysteme“<br />
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