Ermittlung und Evaluierung der Anforderungen an ein KMU zur Berücksichtigung der Flexibilitätsgestehungskosten bei Produktionsplanungssystemen. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Unternehmen in Deutschland werden durch die Energiewende vor neue Herausforderungen gestellt. Grund dafür ist das gegenwärtige Stromversorgungssystem, welches darauf ausgelegt ist, dass die Stromerzeugung dem Verbrauch folgt. Durch die Einspeisung von Strom aus regenerative Energiequellen, wie Windkraft und Photovoltaik wird das Stromnetz einer starken Volatilität ausgesetzt. Die Stabilisierung des Netzes treibt die Stromkosten in die Höhe. Eine Möglichkeit diesem Trend entgegenzuwirken besteht darin, die Nachfrage mit dem fluktuierenden Angebot zu synchronisieren. Die Industrie kann dafür einen wichtigen Beitrag leisten. Durch die energetische Flexibilisierung ihrer Produktionsplanung und -steuerung (PPS) sowie ihrer Produktion kann der Verbrauch an die Erzeugung angeglichen werden. Daher beschäftigte sich diese Arbeit mit den Möglichkeiten zur Berücksichtigung von Energieaspekten in kleinen und mittleren Unternehmen. Drüber hinaus wurden die Kosten für die Umsetzung von Energieflexibilität ausgearbeitet und konkretisiert. Aufbauend auf diese Kosten wurde eine Definition des Begriffs „Energieflexibilitätsgestehungskosten“ (EFG) vorgenommen. EFG beschreiben die Kosten für eine innerbetriebliche Lastverschiebung, um deren wirtschaftliche Sinnhaftigkeit im Voraus bestimmen zu können. Für die Umsetzung von Energieaspekten müssen Firmen zahlreiche Anforderungen in ihrem PPS-System als auch in ihrer Produktion erfüllen. Eine Ausarbeitung jener Anforderungen ist Teil dieser Arbeit.
Entwurf eines Konzepts zur CO2-freien Erbringung von Systemdienstleistungen unter Ausnutzung der Sektorkopplung von Strom und Gas im Kontext industrieller Verbraucher. - Ilmenau. - 164 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die CO2-freie Bereitstellung von Systemdienstleistungen ist nicht nur aus klimapolitischen Zielen (z. B. Pariser Klimaschutzabkommen) von hohem Interesse, sondern könnte auch im Zuge von perspektivisch steigenden CO2-Zertifikatspreisen bzw. zusätzlichen nationalen CO2-Abgaben an wirtschaftlicher Bedeutung für die Netzbetreiber gewinnen. Eine Option der Verringerung dieser Emission stellt die Sektorkopplung dar. Ziel der Arbeit ist es, die Möglichkeiten der Emissionsreduktion durch die Kopplung von Strom und Gas, auch als Power-to-Gas (PtG) bezeichnet, im Kontext der Industrie zu identifizieren und zu evaluieren. Hierzu wird zunächst sowohl der aktuelle als auch der zukünftige allgemeine Energiebedarf der Industrie aufgezeigt sowie die Anforderungen der Industrie an die elektrische Energieversorgung dargestellt. Es werden die zur Erreichung der grundlegend notwendigen Versorgungsqualität erforderlichen Systemdienstleistungen theoretisch eingeführt, die damit einhergehenden CO2-Emissionen analysiert und eine Berechnungsformel entwickelt. Darauf aufbauend wird der State-of-the-Art von PtG erhoben und Interaktionsmöglichkeiten dieser Sektorkopplungstechnologie zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen aufgeführt. Mit dem Fokus auf die innerhalb der Systemdienstleistung höchste CO2-Emissionsquelle wird die Regelleistungsvorhaltung näher betrachtet und auf Basis dreier verschiedener Szenarien untersucht, inwiefern PtG diese reduzieren kann. Abschließend wird in der Auswertung der Ergebnisse gezeigt, dass PtG das zur Regelleistungsvorhaltung emittierte CO2 zwar senken kann, dies allein jedoch nur geringe Auswirkungen auf die Gesamtemission hat.
Bestimmung von PQ-Kapabilitäten als Schnittstelle zwischen Betreibern vermaschter Netze auf der Übertragungs- und Verteilernetzebene. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Das historisch gewachsene elektrische Energieversorgungssystem steht im Rahmen der Energiewende vor neuen Herausforderungen. Der Wandel in der Erzeugerlandschaft ist vielseitig und resultiert aus dem Ausbau von Erneuerbaren Energien (EE). So führt unter anderem deren Gestehung zur zunehmenden Unwirtschaftlichkeit und der damit einhergehenden Stilllegung von konventionellen Kraftwerken. Des Weiteren sind die EE-Anlagen überwiegend in den Verteilernetzebenen angeschlossen, wodurch es zu einer signifikanten Verlagerung der Einspeisung von den höheren Spannungsebenen in die unteren kommt. Gleichermaßen wandelt sich auch der Verbrauchssektor hinsichtlich neuer Akteure wie bspw. Elektrofahrzeuge oder flexible Lasten in den Verteilernetzebenen. Im Zuge dessen wird die Frage nach einer geeigneten Koordination zwischen den Netzbetreibern immer wichtiger. Deshalb befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Bestimmung von PQ-Kapabilitäten als Schnittstelle zwischen Betreibern vermaschter Netze auf der Übertragungs- und Verteilernetzebene. Dafür wird zunächst ein Konzept zur geeigneten Modellierung bzw. Darstellung mehrerer Netzverknüpfungspunkte (NVP) entworfen. Anschließend erfolgt auf Basis des Ansatzes der PQ-Kapabilität der Entwurf der Berechnungsmethode unter Einbeziehung von Sensitivitäten für die NVP-spezifische Abbildung der PQ-Kapabilitäten. Die Ergebnisse der numerischen Fallstudien zeigen, dass das entwickelte Verfahren eine Verbesserung hinsichtlich der Genauigkeit für die Schnittstelle in vermaschten Netzen mit mehreren NVP ermöglicht. Der vorgestellte Ansatz beinhaltet alle die an ihn gestellten Anforderungen, berücksichtigt die Wechselwirkungen in vermaschten Netzen und gewährleistet einen sicheren Netzbetrieb.
Präventive Optimierung einer kontinuierlichen DC-Spannungsregelcharakteristik für AC-HVDC-Systeme. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Der Ausbau von Erneuerbaren Energien Anlagen verursacht eine stärkere Auslastung des Übertragungsnetzes und erfordert den Transport der elektrischen Energie über große Distanzen zu den Verbraucherzentren. Für diese Aufgabe eignet sich die HGÜ-Technologie, welche beim Einsatz der VSC-Technologie den Aufbau eines vermaschten HVDC-Netzes ermöglicht. Für das so entstehende AC-HVDC-System müssen neue Systemführungskonzepte entwickelt werden, die auch beim Ausfall eines HVDC-Umrichters den sicheren Systembetrieb gewährleisten. Betriebsmittelausfälle innerhalb des DC-Systems verursachen Leistungsungleichgewichte, die durch eine lokale DC-Spannungsregelung mittels der eingesetzten Regelleistung kompensiert werden. Um durch den Regelleistungseinsatz keine Betriebsmittelgrenzen zu verletzten, muss eine koordinierte Parametrierung der DC-Spannungsregelung für alle Ausfallszenarien erfolgen. Ein neu entwickelter statischer DC-Leistungsfluss ermöglicht die Berechnung von Arbeitspunktabweichungen nach einem Umrichterausfall unter Verwendung von kontinuierlichen Regelungsfunktionen. Diese werden für die entwickelte Parametrierungsmethodik benötigt, um unter der Berücksichtigung der gegebenen Netzparameter und -restriktionen eine Vermeidung von Betriebsmittelüberlastungen im AC- sowie DC-System infolge der bereitgestellten Regelleistung zu gewährleisten.
Modellierung und Simulation elektrischer Phänomene in einer Power-Hardware-in-the-Loop Testumgebung. - Ilmenau. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Im Zuge der Energiewende wird eine Steigerung der Energieeffizienz und ein vermehrter Ausbau erneuerbarer Energien forciert, wodurch der Anteil leistungselektronischer Komponenten im elektrischen Gesamtsystem zunimmt. Die nichtlinearen Systemeigenschaften der an das Verbundsystem angeschlossenen Verbraucher und Erzeuger führen zu einer Veränderung des Gesamtsystemverhaltens, wodurch negative Auswirkungen auf die Stabilität und die Qualität der Spannung entstehen können. Das Forschungsprojekt VEREDELE untersucht die Auswirkungen dieser neu entstehenden Wechselwirkungen, um mögliche Herausforderungen frühzeitig zu erkennen und passende Lösungen zu entwickeln. Hierfür befindet sich ein Power-Hardware-in-the-Loop Versuchstand im Aufbau. Dieser besteht aus einem Echtzeitsimulationssystem für elektrische Netzmodelle sowie angeschlossener Power-Hardware zur Kopplung einzelner Betriebsmittel sowie kleinerer Netzstrukturen. Der Versuchsstand ermöglicht die Simulation praxisnaher Systemzustände mit unterschiedlichen Betriebsmitteln, elektrischen Arbeitspunkten sowie dynamischer Anregungen. In der vorliegenden Arbeit wurden Modelle erstellt, die es ermöglichen, beliebige Systemzustände und Arbeitspunkte, als Verlauf von Strom und Spannung am Anschlusspunkt, in einer Echtzeitsimulationsumgebung einzustellen und zu variieren. Die entwickelten Modelle bilden elektrische Phänomene nach, die in Verteilernetzen auftreten können. Die Modelle sind für Simulation in einer Power-Hardware-in-the-Loop Versuchsumgebung erstellt und validiert worden und eignen sich ebenso für die Softwaresimulation von Netzmodellen. Die Eigenschaften des Echtzeitsimulators limitieren die Nachbildung der elektrischen Phänomene von Strom und Spannung über gewisse Systemgrenzen hinaus. Die Kenntnis dieser Systemgrenzen ist eine Grundbedingung für eine genaue Analyse der mit diesem Versuchsaufbau durchgeführten Simulationen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Methoden vorgestellt und angewandt, die eine Bewertung der Güte simulierter elektrischer Phänomene ermöglichen. Die Versuchsergebnisse der durchgeführten Simulationen zeigen, dass die elektrischen Phänomene individuell parametrierbar nachgebildet und als Anregung in den Prüfstand eingeprägt werden können. Die Erstellung der Signalkurven ist jedoch an die Simulationsschrittweite gebunden, wodurch die Genauigkeit in der Nachbildung höherer Frequenzen für Signale mit Oberwellen abnimmt. In einem Versuchsaufbau mit analoger Kopplung zwischen Software- und Hardwaresimulation sind Filter für die Reduzierung von Signalrauschen zu empfehlen.
Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen leistungselektronisch integrierten Netzelementen im Verteilernetz. - Ilmenau. - 149 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Aus den fortschreitenden Ausbau an erneuerbaren Energien resultierend, welche über leistungselektronische Komponenten, wie beispielsweise Umrichter, vor allem an das Verteilernetz angeschlossen sind, geht ein wegweißender Wandel in der Struktur der Energieerzeugung einher. Dies betriff vor allem die Energieübertragung in elektrischen Energienetzen, sodass eine Analyse von umrichterdominierten Verteilernetzen mit Hinsicht auf die Systemstabilität der Energienetze erforderlich ist. Hierbei besitzen Umrichter eine starke Wirkung auf die Systemstabilität, welcher vor allem durch deren Regelstruktur und deren Reglerparameter bestimmt wird. Als Ergebnis dieser Arbeit ist festzuhalten, dass die Systemstabilität im Kleinsignalbereich mit einer wachsenden Anzahl an Umrichtern in Form von einer Zunahme von Intranetzwechselwirkungen sinkt. Deren Einfluss übersteigt den Interferenzen von Netzelementen wie z.B. Leitern, Verbrauchern und Transformatoren wie auch unterschiedliche Netztopologien hinsichtlich der Systemstabilität. Daher bietet sich für die Stabilisierung eine Anpassung der Umrichterregelstruktur durch eine spannungsabhängige Zusatzsignalaufprägung zur Verbesserung der Systemeigenschaften bei Anregungen und Störungen an. Durch die Implementierung der Online-Anwendung wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Adjustierung mit der Konzentration auf die Dämpfungseigenschaften von Energienetzen zu deren Stabilisierung eröffnet. Für die allgemeingültige Funktionsweise des Stabilizers wurde die Korrelation des Systemverhaltens zwischen Anregungen im Klein- und Großsignalbereich für Intranetzwechsel-wirkungen simulativ als Nachweis erbracht. Basierend auf diesem Ergebnis wurde die Gültigkeit zur Anwendung des Stabilizers bei Klein- wie auch Großsignalanregungen, die je nach Netzsituation mit Hilfe einer Online-Parametrierung des Stabilizers mit Hinsicht auf die gewünschten Systemeigenschaften, aufgezeigt.
Realisierung von Umrichtermodellen und deren Untersuchung auf dynamisches Verhalten im Verteilernetz. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Mit dem Ziel der Energiewende tragen immer mehr erneuerbare Energie im Zusammenspiel mit den konventionellen Energieerzeugern zu einer dauerhaften und sicheren Stromversorgung bei. Zur Nutzung dieser erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie ist die moderne Leistungselektronik bzw. Stromrichter in Kombination mit intelligenter digitaler Steuerungstechnik notwendig. Der Einfluss auf die Stabilität und die Betriebsführung des zukünftigen Verteilernetzes wird dementsprechend stark zunehmen, immer mehr elektrische Leistung aus erneuerbaren Energiequelle wird durch Parallelschaltung von Stromrichtern in das Netz eingespeist werden. Um die Wechselwirkung zwischen den parallel geschalteten Stromrichtern zu untersuchen und damit die Stabilität des zukünftigen Netzes zu gewährleisten, befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Modellierung eines Stromrichters am Beispiel eines Wechselrichters in MATLAB/Simulink. Nach dem Modellierungskonzept im elektrischen Energiesystem werden drei Wechselrichtermodelle, ein detailliertes Modell, ein Mittelwertmodell und ein Phasormodell, aufgebaut, damit das dynamische Verhalten des Parallelbetriebes der Wechselrichter unter verschiedenen Szenarien simuliert und mit einander verglichen werden können.
Entwicklung einer Methodik zur Bewertung und Optimierung bestehender und zukünftiger Standorte von Schwarzstarteinheiten. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Verantwortlichkeiten der Übertragungsnetzbetreiber umfassen die Wahrung der Versorgungs- und Systemsicherheit. Damit einhergehend obliegt es ihnen kleine Versorgungsunterbrechungen sowie großflächige Versorgungsstörungen zu vermeiden. Sie erbringen im Zuge dessen durch deren bedarfsgerechten Einsatz von Einzelprodukten die sogenannten Systemdienstleistungen. Die sich in Deutschland ändernde Erzeugungslandschaft stellt dabei die Netzbetreiber vor neue Herausforderungen. Die heutige deutsche elektrische Energieversorgung ist gekennzeichnet durch einen signifikanten Zubau an Erzeugungsanlagen aus erneuerbaren Energien mit volatilen Einspeiseverhalten, wie z. B. Windkraft- oder Photovoltaikanlagen. Gleichzeitig resultiert aus verschiedenen Faktoren wie beispielsweise den klimapolitischen Zielen der deutschen Bundesregierung oder der bevorzugten Abnahme von Einspeisungen aus Erneuerbaren Energien die Abschaltung und Stilllegung von konventionellen Kraftwerken. Als Folge des Rückgangs dieser plan- und steuerbaren Erzeugungsanlagen entsteht ein erhebliches Defizit an regelbarer bedarfsfolgender Erzeugung. Dies hat direkte Auswirkungen auf die bestehenden Konzepte der Netzbetriebsführung bis hin zum Netzwiederaufbau und erfordert deren Überdenken, um auch zukünftig den heutigen Status Quo erfüllen zu können. Im Falle überregionaler Großstörungen auf Übertragungsnetzebene müssen Konzepte existieren, die den Aufbau des Stromnetzes bis zur vollständigen Wiederversorgung der Endverbraucher regeln. Die Ultima Ratio des Netzwiederaufbaus basiert auf der Zuhilfenahme von Schwarzstarteinheiten, welche ihren Eigenbedarf bereitstellen und folglich das Anfahren ohne externe Spannungsvorgabe oder Leistungsbereitstellung ermöglichen können. Anschließend werden ausgehend von diesen Schwarzstarteinheiten Pfade zu den wieder zu versorgenden Kraftwerken aufgebaut, um einen sukzessiven Netzwiederaufbau zu realisieren. Die Position derartiger Schwarzstarteinheiten innerhalb einer Netzstruktur ist vornehmlich historisch bedingt. Durch die sich ändernde Erzeugungslandschaft bedarf es in Zukunft eine systematische Auswahl von Schwarzstarteinheiten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgt die Entwicklung einer Bewertungsmethodik für bestehende Schwarzstarteinheiten in einem Stromnetz hinsichtlich ihres Nutzens und Potentials für den Netzwiederaufbau. Auf Basis dieser wird ein Optimierungsverfahren erarbeitet, welche Aussagen über die optimale Anzahl von Schwarzstarteinheiten sowie deren Platzierung in einem Übertragungsnetz trifft. Die Validierung der entworfenen Verfahren erfolgt anhand numerischer Fallstudien am Beispiel des Netzes der TenneT TSO GmbH, einem der vier deutschen Übertragungsnetzbetreiber. Im Rahmen der Arbeit wird gezeigt, dass Schwarzstarteinheiten und ihre Zuordnung zu anzufahrenden Kraftwerken mit der erarbeiteten Bewertungsmatrix evaluiert werden können und welche Bewertungskriterien bei der Auswahl von Standorten für Schwarzstarteinheiten in einem Übertragungsnetz von Relevanz sind. Des Weiteren kann das entworfene Optimierungsverfahrens die optimale Platzierung der Schwarzstarteinheiten innerhalb einer gegebenen Übertragungsnetzstruktur hinsichtlich definierter Nebenbedingungen bestimmen und damit auch die optimale Anzahl dieser Einheiten ermitteln.
Beeinflussung von 110-kV-Systemen durch Gleich- und Wechselspannung höherer Spannungsebenen bei Parallelführung auf dem gleichen Mastsystem. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Durch eine kompakte Bauweise ist die Realisierung von Mehrfachleitungen unterschiedlicher Spannungssysteme und -ebenen auf einem Mastsystem eine wirtschaftliche, ökonomische und ökologisch sinnvolle Lösung. Die elektrische Beeinflussung der unterschiedlichen Spannungssysteme wird dabei meist nicht ausreichend betrachtet. In dieser Arbeit soll zunächst anhand eines realen Leitungsabschnittes mit Mehrfachleitungen untersucht werden, welche Beeinflussungen bei der Parallelführung von 380-kV und 110-kV-Freileitungen zu erwarten sind. Die messtechnisch festgestellten Beeinflussungen werden genutzt, um ein bestehendes Modell zu verifizieren. Auf Basis des verifizierten Modells wird anschließend theoretisch betrachtet, welche Beeinflussungen auf dem gleichen Leitungsabschnitt zu erwarten sind, wenn der Parallelführungsabschnitt durch eine Hochspannungsgleichstromleitung erweitert wird.
Methodische Erfassung von Eigenverbrauchsoptimierungs- und Energieflexibilisierungspotenzialen in der Industrie als Chance neuer Erlösmöglichkeiten für KMUs. - 126 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Aufgrund der Energiewende und dem damit verbundenen raschen Ausbau der volatilen erneuerbaren Energien befindet sich das Stromversorgungssystem im Umbruch. Für eine erfolgreiche Integration der erneuerbaren Energien gilt es eine Vielzahl von Herausforderung zu meistern. Dazu zählen die Steigerung der Energieeffizienz und die Flexibilisierung des Stromsystems. Produzierende Unternehmen können dafür einen wichtigen Beitrag leisten. Mit einem systemdienlichen Einsatz von erneuerbaren Eigenerzeugungsanlagen in Verbindung mit einem Speicher sowie der flexiblen Anpassung ihres Verbrauchs tragen sie maßgeblich zur Entlastung des Systems bei und können gleichzeitig ihre Energiekosten reduzieren. Allerdings stehen zahlreiche Hemmnisse einer raschen Ausschöpfung der vorhandenen Potenziale vor allem auf Ebene von kleinen und mittelständischen Unternehmen entgegen. Um diesen teilweise entgegenzuwirken, beschäftigt sich diese Arbeit mit Grundlagen im Bereich der Eigenverbrauchsoptimierung von erneuerbaren Eigenerzeugungsanlagen und der Flexibilisierung des Stromverbrauchs. Genauer sollen Methoden zu Erfassung von vorhandenen Potenzialen in beiden Bereichen entwickelt werden. Dabei zielt die Methode zur Eigenverbrauchsoptimierung auf die Auslegung einer PV-Anlage ab, mit welcher ein möglichst großer Anteil des erzeugten Stroms selbst verbraucht wird. Weiterhin wird der Einfluss eines zusätzlich integrierten Speichers auf den Eigenverbrauch dargestellt. Bezüglich der Flexibilisierung des Stromverbrauchs, auch bezeichnet als Energieflexibilität, schlägt diese Arbeit eine Vorgehensweise vor, welche schrittweise Potenziale identifiziert, notwendige Größen aufnimmt und anschließend Maßnahmen zur Flexibilisierung ableitet und bewertet. Die theoretischen Ausarbeitungen werden anschließend am Beispiel eines existierenden Industrieunternehmens angewendet.