Jahresbericht 2011 Institut für Elektrische Energiesysteme · über unser Institut im Internet unter ... FhG-IFF Magdeburg: Test- und Messverfahren Dr.-Ing ... Folkhart Grieger M

Jahresbericht 2011 Institut für Elektrische Energiesysteme

Anschrift

Institut für Elektrische Energiesysteme (IESY) Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Universitätsplatz 2 Postfach 4120 39106 Magdeburg 39016 Magdeburg

Sekretariate

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme

NN Gebäude 03 Raum 129Telefon: (0391) 67 18596 Telefax: (0391) 67 12481E-Mail: [email protected]

Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen Lehrstuhl für Leistungselektronik Frau Flügge Frau Klebs

Gebäude 09 Raum 124

Telefon: (0391) 67 18592 Telefax: (0391) 67 12408E-Mail: [email protected]

URL:

Institut

www.iesy.ovgu.de

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme

www.iesy.ovgu.de/elektrische_antriebssysteme

Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen

www.uni-magdeburg.de/lena

Lehrstuhl für Leistungselektronik

www.uni-magdeburg.de/llge

Vorwort i

Vorwort Sehr geehrte Freunde des Instituts,

auch in diesem Jahr möchten wir Ihnen mit dem Jahresbericht Einblicke in unsere Arbeit geben und auf einige Entwicklungen und Ergebnisse hinweisen.

Das wichtigste Ereignis des Jahres 2011 war die Gewinnung des Nachfolgers unseres Kollegen Professor Dr. Frank Palis in persona von Herrn Professor Dr. Roberto Leidhold. Er hat nun den Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme inne. Wir möchten uns bei Herrn Professor Palis für seine unermüdliche Arbeit und Kollegialität bedanken und wünschen Herrn Professor Leidhold viel Erfolg.

In der Lehre stabilisierte sich die Anzahl der Studienanfänger auf mittlerem Niveau. Unser Masterstudiengang Elektrische Energiesysteme/Regenerative Energie erfreut sich einer überregionalen Popularität. Wir überführten nach neun erfolgreichen Jahren unser Doppeldiplom mit der TU Wroclaw in ein neues Programm auf Basis unseres englischsprachigen Masterstudiengangs Electrical Engineering and Information Technology; im Jahr 2011 haben wir in diesem Rahmen die ersten Studierenden begrüßen können. Mit 85 Forschungsprojekten, Studien-, Diplom-, Bachelor- und Masterarbeiten war unser Institut bei den Studierenden gefragt.

Auch von unserer Forschung sind erfreuliche Ergebnisse aus dem letzten Jahr zu berichten: Die Nachwuchsgruppe zum Thema Energiewandlungssysteme, die wir zusammen mit dem Magdeburger Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme und dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung führen, verzeichnete in diesem Jahr drei abgeschlossene Promotionen an unserer Fakultät. Sehr erfolgreich haben wir das von uns koordinierte BMU Projekt Harz.ErneuerbareEnergien - Mobility im Oktober 2011 abgeschlossen und die Ergebnisse beim Mobility Kongress in Mannheim präsentiert. Unsere Beteiligung an den Projekten Web2Energy (EU), RegModHarz (E-Energy) bzw. SeaSecure (BMU) stärken unsere Forschung zum Thema Smart Grids wesentlich und führten zum Erfolg im Wettbewerb für Spitzenforschung in Russland, wo wir zusammen mit unserem Partner in Irkutsk ein Megagrant zum Thema gewannen. Zahlreiche Industrieprojekte ergänzten darüber hinaus unsere Forschung. Kurzfassungen der einzelnen Forschungsthemen finden Sie auf den folgenden Seiten.

Auch bei internationalen Konferenzen, wie beispielsweise dem IEEE PES GM 2011 in Detroit, USA, VDE/ETG Kongress in Würzburg, CRIS Workshop in Hanoi, Wind Kongress in Aarun, Dänemark oder der European Wind Energy Academy Conference in Delft, waren wir mit Vorträgen über unsere Arbeiten und durch aktive Mitgestaltung gut vertreten (siehe weitere Kapitel). Die Ergebnisse unserer Arbeiten sind im Jahr 2011 belegt durch acht Promotionen und 70 wissenschaftlichen Veröffentlichungen in angesehenen Zeitschriften oder mit Vorträgen auf nationalen und internationalen Tagungen. Sie geben Zeugnis darüber, dass wir auch in diesem Jahr recht effektiv waren. Sie können gerne die wichtigsten Informationen über unser Institut im Internet unter www.uni-magdeburg.de/iesy nachlesen.

Vorwort ii

Wir haben uns sehr über die vielen Begegnungen mit unseren Freunden und Kooperationspartnern gefreut, darüber hinaus über die regelmäßigen Besuche unserer Ehrendoktoren, Herr Prof. Dr. Viktor Kalaschnikow von der TU Donezk und Herr Prof. Dr. Janusza Szafran von der TU Wroclaw, die damit ihre Verbundenheit mit unserer Universität zum Ausdruck bringen.

Allen unseren Freunden möchte ich an dieser Stelle wiederum recht herzlich für ihre Anregungen und ihre Hilfe danken. Unser bester Dank gilt erneut der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem BMWi, dem BMU und dem BMBF, dem Land Sachsen-Anhalt und jenen Firmen, die uns durch Aufträge und Spenden unterstützt haben.

Für das kommende Jahr wünsche ich Ihnen im Namen der Professoren und aller Mitarbeiter des IESY Gesundheit, Glück und alles Gute.

Magdeburg, im Dezember 2011

Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski

Geschäftsführender Institutsleiter

Inhaltsverzeichnis iii

Inhaltsverzeichnis

Vorwort ........................................................................................................................ i

1 Personalia ....................................................................................................... 1

1.1 Institutsvorstand ................................................................................................... 1

1.2 Hochschullehrer .................................................................................................... 1

1.3 Lehrbeauftragte .................................................................................................... 1

1.4 Wissenschaftliche Mitarbeiter und Doktoranden ................................................ 2

1.4.1 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme ........................................................... 2

1.4.2 Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen .................... 2

1.4.3 Lehrstuhl für Leistungselektronik ......................................................................... 3

1.5 Institutsebene ....................................................................................................... 3

1.5.1 Sekretariate ........................................................................................................... 3

1.5.2 Administration ...................................................................................................... 3

1.5.3 Technik .................................................................................................................. 3

1.5.4 Werkstatt .............................................................................................................. 3

2 Studium und Lehre ......................................................................................... 5

2.1 Lehrstuhl Allgemeine Elektrotechnik/Elektrische Aktorik .................................... 5

2.1.1 Vorlesungen, Übungen und Praktika .................................................................... 5

2.1.2 Abgeschlossene Studienarbeiten und Forschungsprojekte ................................ 13

2.1.3 Abgeschlossene Diplom- und Masterarbeiten ................................................... 13

2.2 Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen .................. 14

2.2.1 Vorlesungen, Übungen und Praktika .................................................................. 14

2.2.2 Abgeschlossene Studienarbeiten und Forschungsprojekte ................................ 20

2.2.3 Abgeschlossene Diplom- und Masterarbeiten ................................................... 22

2.3 Lehrstuhl für Leistungselektronik ....................................................................... 24

2.3.1 Vorlesungen, Übungen und Praktika .................................................................. 24

2.3.2 Abgeschlossene Forschungsprojekte .................................................................. 31

2.3.3 Abgeschlossene Bachelor- und Studienarbeiten ................................................ 31

2.3.4 Abgeschlossene Master- und Diplomarbeiten ................................................... 32

2.4 Institutsebene ..................................................................................................... 33

2.4.1 Kooperationen .................................................................................................... 33

2.4.2 Exkursionen ......................................................................................................... 47

Inhaltsverzeichnis iv

3 Forschung ..................................................................................................... 50

3.1 Lehrstuhl Allgemeine Elektrotechnik/Elektrische Aktorik .................................. 50

3.1.1 Forschungsprofil .................................................................................................. 50

3.1.2 Forschungsprojekte ............................................................................................. 51

3.1.3 Promotionen ....................................................................................................... 65

3.1.4 Veröffentlichungen ............................................................................................. 66

3.2 Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen .................. 67

3.2.1 Forschungsprofil .................................................................................................. 67

3.2.2 Forschungsprojekte ............................................................................................. 68

3.2.3 Promotionen ..................................................................................................... 105

3.2.4 Veröffentlichungen ........................................................................................... 114

3.3 Lehrstuhl für Leistungselektronik ..................................................................... 118

3.3.1 Forschungsprofil ................................................................................................ 118

3.3.2 Forschungsprojekte ........................................................................................... 119

3.3.3 Promotionen ..................................................................................................... 139

3.3.4 Habilitationen .................................................................................................... 141

3.3.5 Veröffentlichungen ........................................................................................... 141

3.4 Institutsebene ................................................................................................... 144

3.4.1 Kooperationen .................................................................................................. 144

3.4.2 Technische Gremien und Verbände .................................................................. 144

3.4.3 Kolloquien ......................................................................................................... 145

1. Personalia 1

1 Personalia

1.1 Institutsvorstand

Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski (geschäftsführender Institutsleiter, Senator)

Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold (ab September 2011)

Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann (Dekan)

Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Palis (ab April 2011 im Ruhestand, Vertretungsprofessor bis September 2011)

Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin

1.2 Hochschullehrer

Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold (Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme, ab September 2011)

Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann (Lehrstuhl für Leistungselektronik)

Prof. Dr.-Ing. habil Frank Palis (Lehrstuhl Allgemeine Elektrotechnik/Elektrische Aktorik, bis September 2011)

Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski (Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen)

Prof. Dr.-Ing. Rainer Krebs – Siemens AG, Erlangen (Honorarprofessor: Fachgebiet Netzschutz- und Leittechnik)

Prof. Dr.-Ing. Antja Orths – Energinet.dk, Dänemark (Honorarprofessorin: Fachgebiet Windenergie)

Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Riefenstahl (im Ruhestand: Fachgebiet Elektrische Antriebssysteme)

1.3 Lehrbeauftragte

Prof. Dr.-Ing. habil. Waldemar Rebizant, TU Wroclaw, Polen: Digitale Schutztechnik

Dr.-Ing. Przemyslaw Komarnicki, FhG-IFF Magdeburg: Test- und Messverfahren

Dr.-Ing. Michael Buchholz, NTB Pyrbaum, Elektrounternehmen, Organisation

1. Personalia 2

1.4 Wissenschaftliche Mitarbeiter und Doktoranden

1.4.1 Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme

Dipl.-Ing. Andreas Bannack

M. Sc. Denis Draganov

M. Sc. Andiry Melnykov

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Schallschmidt

Dipl.-Ing. Mario Stamann

Dipl.-Ing. Niklas Förster

1.4.2 Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen

Dipl.-Ing. Paul Anton Bernstein

M. Sc. Bartlomiej Arendarski (mit IFF Magdeburg)

Dipl.-Ing. Martin Geske (bis Februar 2011)

M. Sc. Hui Guo (mit IFF Magdeburg)

Dr.-Ing. Marcin Gurbiel (bis Mai 2011)

Dipl.-Ing. Ines Hauer

Dr.-Ing. Günter Heideck

Dipl.-Ing. Maik Heuer

Dr.-Ing. Mathias Käbisch

Dr.-Ing. Pio Lombardi

M. Sc. Natalia Moskalenko (mit IFF Magdeburg)

M. Sc. Cuong Nguyen Mau

Dipl.-Ing. Hans-Dieter Musikowski

M. Sc. André Naumann

Dr.-Ing. Michal Powalko (bis Juli 2011)

Dipl.-Ing. Steffen Rabe

Dipl.-Ing. Christian Röhrig

Dr.-Ing. Krzysztof Rudion

Dipl.-Ing. Martin Stötzer

Dipl.-Ing. Christoph Wenge (mit IFF Magdeburg)

1. Personalia 3

1.4.3 Lehrstuhl für Leistungselektronik

Dipl.-Ing. Julia Bauch (ab Dezember 2011)

Dipl.-Ing. Marcel Benecke

M. Sc. Yuriy Bessarab (bis September 2011)


Dr.-Ing. Wolfgang Fischer

Dipl.-Ing (FH) Stefan Förster

Dipl.-Ing. Folkhart Grieger

M. Sc. Xudan Liu (ab Juni 2011)

Dipl.-Ing. Sebastian Schulz

1.5 Institutsebene

1.5.1 Sekretariate

Melanie Baumgarten (Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen sowie Lehrstuhl für Leistungselektronik), (ab Februar 2011 Mutterschutz)

Nancy Flügge (seit Februar 2011, Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen sowie Lehrstuhl für Leistungselektronik)

Undine Klebs (seit Oktober 2011, Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen sowie Lehrstuhl für Leistungselektronik)

1.5.2 Administration

Martina Krieger (Ökonomie, Buchhaltung)

1.5.3 Technik

Dipl.-Ing. Uwe Göranson (Leiterplattenlabor und Rechnernetz)

Dipl.-Ing. Katharina Mecke (Werkstofflabor und Videotechnik)

– gemeinsam mit dem Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit IGET

1.5.4 Werkstatt

Jens-Uwe Schulz (Meister)

Lothar Griep

1. Personalia 4

Bernd Hoppe

Helge Müller

Solveig Kramer

Sebastian Knittel

– gemeinsam mit dem Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit IGET

2. Studium und Lehre 5

2 Studium und Lehre Abkürzungen:

SS Sommersemester WS Wintersemester V Vorlesung Ü Übung P Praktikum SWS Semesterwochenstunden

2.1 Lehrstuhl Allgemeine Elektrotechnik/Elektrische Aktorik

Lehrstuhl Elektrische Antriebssysteme

2.1.1 Vorlesungen, Übungen und Praktika

Allgemeine Elektrotechnik 2

– Electrical engineering and electronics –

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Palis

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Mario Stamann




Dipl.-Ing. Stefan Förster


P 2 SWS: Dipl.-Ing. Mario Stamann





Dipl.-Ing. Hans-Dieter Musikowski und Kollegen

Die Lehrveranstaltung wendet sich an Studenten nichtelektrotechnischer Studienrichtungen und vermittelt anwendungsbezogenes Grundwissen und läuft über zwei Semester. Sie beginnt im Wintersemester mit einer kurzen Darstellung der Grundgrößen der Elektrotechnik und der Betrachtung von Gleichstromkreisen. Dadurch wird der Hörer in die spezifische Betrachtungsweise des Elektrotechnikers eingeführt. Daran schließen sich die


Komplexe "Elektrisches und magnetisches Feld" und "Wechselstromtechnik" an. Es wird eine kurze Einführung in die Halbleitertechnik gegeben.

– Allgemeine Elektrotechnik 1 vgl. auch Abschnitt 2.3.1 –

Elektrische Antriebe I (Elektrische Antriebssysteme)

– Electric drives I –

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold

Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Palis

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack


P 1 SWS Dipl.-Ing. Andreas Bannack



Aufgaben und Struktur eines elektrischen Antriebssystems

Kenngrößen von Bewegungsvorgängen

Mechanik des Antriebssystems (Bewegungsgleichung und Beschreibung der

Bewegungsgrößen)

typische Widerstandsmomenten-Kennlinien von Arbeitsmaschinen

Anlauf und Bremsung eines Antriebssystems

stabiler Arbeitspunkt

das mechanische Übertragungssystem

stationäres und dynamisches Verhalten von ausgewählten elektrischen Maschinen (Gleichstrom-Nebenschlussmaschinen Asynchronmaschinen mit Schleifring- und Kurzschlussläufer, Synchronmaschinen)

Schaltungsanordnungen für Anlauf

Bremsung und Drehzahlstellung elektrischer Antriebe

Strukturen binär gesteuerter Antriebe mit Asynchronmaschinen

Strukturen drehzahlgeregelter elektrischer Antriebe und von elektrischen Antrieben in Lageregelung


Elektrische Antriebe II

– Electric drives II –

WS P 1 SWS: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Schallschmidt


SS V 2 SWS: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Schallschmidt

Ü 1 SWS: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Schallschmidt


WS P 1 SWS: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Schallschmidt


Auswahl elektrischer Maschinen (Auswahlkriterien, Verlustleistung und thermische Vorgänge in elektrischen Maschinen, thermische Auswahl elektrischer Maschinen, Betriebsarten und Nennbetriebsarten)

Bestimmung der Typenleistung elektrischer Maschinen (Verluste in elektrischen Maschinen, Effektivwert des Motordrehmoments, Schaltverluste, Drehmomenten-Überlastbarkeit elektrischer Maschinen)

Motorschutz (Anforderungen, Schutzgrade, Geräte und Einstellungen)

leistungselektronische Stellglieder für elektrische Antriebe (Übersicht und Einteilung der Stellglieder, Schaltverhalten leistungselektronischer Bauelemente)

Leistungselektronische Stellglieder für Gleichstromantriebe (Grundschaltungen und Kennwerte, Ersatzschaltung, Oberschwingungsgehalt, Übertragungsverhalten, Stromrichtertransformator, Schutz von Stromrichteranlagen)

stromrichtergespeiste Gleichstromantriebe (Stationäres und dynamisches Verhalten, Gleichungen und Kennlinienfeld, dynamisches Verhalten, Stromrichter-Reversierantriebe)

stromrichtergespeiste Drehstromantriebe (Prinzipielle Realisierungsarten, Stellgrößen und Stellglieder, Kennlinien, Regelstruktur, Einsatzbereiche)

Elektrische Antriebssysteme (Praktikum)

– Electric drive system –

WS P 1 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack


Elektrische Antriebe und Aktorik

– Electric drives and actuator systems –



Stationäres und nichtstationäres Betriebsverhalten elektrischer Antriebe

Drehzahlstellmöglichkeiten

mathematische Beschreibung des Betriebsverhaltens elektrischer Antriebe in Raumzeigerdarstellung

leistungselektronische Stellglieder für elektrische Antriebe

Grundbegriffe der Regelung elektrischer Antriebe

Feldorientierte Regelung von Drehfeldmaschinen

Auswahl und Dimensionierung elektrischer Antriebssysteme

Systemintegration elektrischer Antriebe und Aktoren (allgemeingültige Herangehensweise

und Betrachtung typischer Einsatzbeispiele)

Elektrische Maschinen und Aktoren

– Electrical machines and actuators –

WS 10/11 V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Palis

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Theodor Schmied

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. habil Frank Palis

Ü 1 SWS Dipl.-Ing. Theodor Schmied

Es werden der grundsätzliche technische Aufbau sowie das elektrische und mechanische Verhalten elektrischer Maschinen und Aktoren, die Betriebsbedingungen und Normen von Maschinen und Geräten behandelt. Die Fertigkeiten zur Berechnung des elektrischen und magnetischen Verhaltens; zum Erstellen von Ersatzschaltbildern, Zeigerdiagrammen und Ortskurven; zur Entwicklung technischer Anwendungen aus physikalischen Wirkprinzipien, zur Abschätzung der Einsatzfelder hinsichtlich Stellmöglichkeiten, Betriebsbedingungen und Leistungen werden vermittelt.


Elektromechanische Aktorsysteme

– Electromechanical actuator systems –



WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold


Es werden die elektrischen Maschinen und Aktoren behandelt, die in den Grundvorlesungen ausgeschlossen bleiben, aber von wichtiger Bedeutung in Automatisierungsanwendungen sind.

Für jeden Aktor oder elektrische Maschine wird die Wirkungsweise, dynamischen Verhalten, leistungselektronische Stellglieder, und Regelung vorgestellt.

Elektromagnetische Aktoren mit begrenzter Bewegung

Elektromagnete

Tauchspule

Geschaltete Reluktanzmaschinen

Schrittmotoren

Klauenpolschrittmotor

Reluktanzschrittmotor

Hybridschrittmotor

Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine (PM-Synchronmotor mit trapezförmiger EMK)

Linearmotoren

PM-Synchronmotor

Asynchronmotor

Reluktanzmotor

Piezoaktoren


Modellierung und Simulation elektrischer Antriebe

– Modeling and simulation of electrical drives –

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Niklas Förster

Modellierung

Anwendung der Modellierung

Domäne (elektromagnetisch, mechanisch, thermisch, usw.), Schnittstellen zwischen Domäne.

Algebraische Gleichungen, gewöhnliche Differentialgleichungen, Differential-algebraische-Gleichungen

Eigenschaften der Modelle

Vereinfachungen

Modellierung einfache Systeme

Modelle mit mehreren Domänen

Validierung

Simulation

Numerische Methoden für die Lösung gewöhnliche Differentialgleichungen

Interpolation und Approximation

Umsetzung in Matlab und Matlab/Simulink

Modellierung und Simulation ausgewählter elektrischer Maschinen

Induktivität mit Betrachtung der magnetischen Sättigung

Gleichstrom Maschine (GSM)

Asynchronmaschine (ASM)

Betrachtung der magnetischen Sättigung in der ASM

PM-Synchronmotor

Modellierung weiterer Komponenten eines Antriebssystems

Leistungselektronisches Stellglied für die GSM, ASM und PM-Synchronmaschine.

Arbeitsmaschinen

Modellierung des thermischen Verhaltens

Verknüpfung der Komponenten und Simulation eines Antriebssystems

Auswertung von Simulationsergebnissen


Geregelte elektrische Antriebe



P 1 SWS: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Schallschmidt

Dipl.-Ing. habil. Mario Stamann


In der Lehrveranstaltung werden anwendungsorientierte Kenntnisse zur Regelung von elektrischen Antrieben vermittelt. Es werden die grundlegenden mathematischen Methoden zur Berechnung digitaler Systeme (z-Transformation, w- Transformation, diskreter Zustands-raum) betrachtet. Am Beispiel von elektrischen Antriebssystemen werden die gebräuchlichs-ten Methoden zur Auswahl und Dimensionierung digitaler Regler behandelt. Spezielles Au-genmerk wird hierbei auf die Echtzeitfähigkeit der behandelten Regelalgorithmen gelegt. In mathematisch verständlicher Form wird auf robuste Reglerkonzepte eingegangen. Die theo-retischen Zusammenhänge werden in den Übungen in der Regel durch Matlab/Simulink-Simulationen anwendungsnah demonstriert.

Einführung in die digitale Regelung von Antrieben (Dead-Beat-Regler, Z- Transformation)

Regelverfahren (Signalflussplan, Optimierung von Regelkreisen der Antriebstechnik, Kaskadenregelungen, Störgrößenbeobachter, Sollwertgeber/Sollwertrechner)

Neuro- und Fuzzycontrol

– Neural and fuzzy control –

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Palis

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Sergiy Sokolov

Die Lehrveranstaltung behandelt die Grundlagen der Fuzzy Set Theory und Grundstrukturen neuronaler Netze. Es wird die Wirkungsweise eines Mamdani- und Sugenoreglers dargestellt und ihre Besonderheiten an einem Beispiel praktisch illustriert. Ausgehend von der biologischen Struktur eines Neurons werden verschiedene Modelle künstlicher Neuronen und mögliche Netzstrukturen behandelt. Es wird ausführlich auf Lernmethoden eingegangen und ihre Vor- und Nachteile an Hand von Simulationsaufgaben demonstriert. Als praktisches Anwendungsgebiet für neuronale Netze wird auf die Regelung nichtlinearer Elektroantriebssysteme eingegangen und es werden verschiedene Regelkonzepte betrachtet. Den Abschluss der Lehrveranstaltung bilden Neuro-Fuzzysysteme, die am Beispiel des ANFIS näher untersucht werden.


Quality through intelligent process control

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Palis Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Mario Stamann

Robotersysteme

– Robot systems –

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Palis

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack

Koordinatentransformation zur Beschreibung von Bewegungen im Raum (Denavit-Hardenberg)

Dynamisches Modell von Robotersystemen

Integration von geregelten elektrischen Antrieben in die Roboterdynamik

Regelung von Roboterantrieben in Kaskadenstruktur

Verbesserung des Folgeverhaltens von Robotersystemen durch Sollwertaufschaltungen

Verbesserung des Störverhaltens von Roboterantrieben durch Störgrößenkompensation

Entkopplung der Roboterachsen durch regelungstechnische Maßnahmen

Intelligente Ansätze zur Regelung von Roboterantrieben

Anwendungsbeispiele

Speicherprogrammierbare Antriebssteuerungen

– Programmable controlled electrical drives –

SS V 2 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack P 2 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack

WS V 1 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack Ü 3 SWS: Dipl.-Ing. Andreas Bannack

Aufgaben und Einsatzgebiete

Steuerschaltungen für Asynchronmaschinen (zum Anlassen, Bremsen, Reversieren und zur Drehzahlsteuerung)


binäre Steuerungstechnik (Realisierungsarten, Automatenstrukturen, dynamisches Verhalten und Optimierung binärer Steuerungen, Vollständigkeit und Widerspruchsfreiheit)

SPS-Anlagen für Antriebssteuerungen (Darstellung, Beschreibungsarten, Fachsprachen, Programmierung, Testung und Inbetriebnahme)

binäre Maschinen- und Anlagensteuerungen

Programmierübungen an SPSgesteuerten Antriebsanlagen

Steuerung von Industrierobotern (Grundbegriffe, Roboterantriebe, Bewegungsraum, Koordinatentransformation, Fachsprachen, Positioniergenauigkeit, praktische Programmierübungen)

speicherprogrammierbare Antriebsregelungen (Realisierungsarten, Programmstrukturen, digitale Messwerterfassung von Strom, Spannung, Drehzahl und Lage, Beschreibungsarten und Programmieroberflächen, Parametrierung von Umrichteranlagen, praktische Übungen an einer Antriebsautomatisierungsanlage mit einem DSP-Netzwerk)

2.1.2 Abgeschlossene Studienarbeiten und Forschungsprojekte

[1] Heinemann,Maik: Elektrizierung eines Motorrollers

[2] Michael, Ortmann: Differentialgetriebe im Elektroauto

[3] Ernst,Tobias: Kontaktlose Übertragung von OBD-Daten eines T5 Diesel an einen Terminal PC

[4] Prykhodko,Rostislav: Optimierung eines leistungselektronischen Stellgliedes

2.1.3 Abgeschlossene Diplom- und Masterarbeiten

[1] Mertens, Stephan: MPP-Regelung einer Generator-Wasserradkombination

[2] Krüger, Andre: Simulation zur Zugkraftregelung einer Papierwickelanlage

[3] Hoke, Karsten: Implementierung einer Zugkraftregelung am Beispiel eines

Mehrmotorenantriebs

[4] Schalk, Martin: Adaptive Regelung eines Industrieroboters


2.2 Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen


Alternative Energien/Regenerative Elektroenergiequellen

– Renewable energy sources –

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Hans-Dieter Musikowski

Die Vorlesung behandelt die technischen Aspekte der regenerativen Energien mit Bezug auf die Integration in Smart Grids.

Energiebilanz der Erde

photovoltaische Stromerzeugung (physikalische Grundlagen, systematische Beschreibung, Potentiale, Kosten)

Stromerzeugung aus Wind (physikalische Grundlagen, systematische Beschreibung, Potentiale, Kosten)

Brennstoffzelle (Grundlagen, Systeme)

andere alternative Energiequellen (Wasserkraft, Erdwärme, Biomasse)

Energiespeicher (Supraleiter, Schwungrad, Batterien)

Netzkonzepte mit alternativen Energiequellen – Smart Grid

Stand und Perspektiven des Einsatzes (technisch, wirtschaftlich)

Elektrische Energienetze I

– Electric Power Network I –

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski Ü 2 SWS: Dr.-Ing. Mathias Käbisch P 1 SWS: Dr.-Ing. Mathias Käbisch

Die Vorlesung behandelt die Grundlagen des Netzbetriebes im Hinblick auf zukünftige Netze (Smart Grid).

Ersatzschaltungen der Betriebselemente

Energieübertragung über kurze Leitungen

Berechnung von Energieübertragungsanlagen und -netzen


Betrieb elektrischer Netze; Drehstromleitung, Synchrongenerator, Netzregelung, Leit- und Schutztechnik

Kurzschlussströme bei 3- poligem Kurzschluss

Symmetrische Komponenten, unsymmetrische Schaltungen in symmetrischen Komponenten

1-poliger Kurzschluss und Erdkurzschluss; Sternpunktbehandlung; Schaltanlagenkonstruktion

Elektrische Energienetze II - Energieversorgung

– Electric Power Network II – Energy Supply –

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski Dr.-Ing. Krzysztof Rudion

Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Mathias Käbisch

Die Vorlesung behandelt vertiefende, komplexe Aspekte der elektrischen Netze und gibt einen Einblick in die Kostenrechnung.

Einleitung, Grundlagen, Netzplanung

Betriebsmittelmodellierung und Netzbetrieb, Regelung, Parallelbetrieb von Generatoren, Smart Grids

Beobachtbarkeit des Systems und State Estimination, PMU und Wide Area Monitoring

Windpark Modellierung: Elektrische Aspekte, Wake und Reduktion

Elektrizitätswirtschaft, Diskontrechnung, Investitionsbewertung

Netzzuverlässigkeit, Definition, Verfahren, Netzplanung

Dynamic Security Assessment und Black Out Prevention

Liberalisierte Energiemarkt Unbundling, Energiebörse, Netznutzentgelte

Stabilität des elektrischen Energiesystems --- Statische Stabilität

Netzbetrieb Systemregelung und Netzdienstleistungen

Praktikum Netzsimulation PSSTMSincal \& PSSTMNETOMAC


Grundlagen der elektrischen Energietechnik

– Introduction to electric power engineering – power supply –

WS V 2 SWS Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski Ü 1 SWS Dipl.-Ing. Hans-Dieter Musikowski

Die Vorlesung behandelt die Grundlagen der Energietechnik und kennzeichnet Anforderungen an ein Smart Grid.

Elektrische Energieversorgung: Erzeugung elektrischer Energie (Wärmekraftwerke, Kraftwerke regenerativer Energiequellen, Elektrizitätswirtschaft)

Übertragung und Verteilung elektrischer Energie (Elektrische Netze, Kurzschlüsse in elektrischen Netzen, Elektrische Schaltanlagen, Personenschutz in elektrischen Anlagen)

Elektrische Netze der Zukunft – Smart Grids

Hochspannungstechnik

– High-voltage engineering –

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski

Dr.-Ing. Heinz-Peter Scheibe

Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Heinz-Peter Scheibe

Die Vorlesung behandelt den Erwerb von Kenntnissen zum Aufbau und zur Funktion von Energieübertragungssystemen auf hohem Spannungsniveau, zur Beanspruchung von Isolierungen, zur hochspannungsgerechten Auslegung von Betriebsmitteln und zur Hochspannungsmesstechnik.

Elektrische Felder

Elektrische Festigkeit

Entladungen

Eigenschaften von Isolationsmaterialen

Durchführung von Berechnungen zur Isolationsbeanspruchung

Hochspannungsmesstechnik


Modellierung und Expertensysteme in der elektrischen Energieversorgung

– Modelling and expert system for power grids–



Die Vorlesung behandelt grundlegende technische Aspekte zu Expertensystemen und Neuronalen Netzen, sowie die Modellierung von Betriebsmittel und Vorgängen im elektrischen Netz in Bezug auf zukünftige Netze – Smart Grid.

Grundbegriffe der künstlichen Intelligenz

Einsatzgebiete der Expertensysteme in der Energieversorgung

Repetitorium der Prädikatlogik. Wissenserwerb und Wissensrepräsentation

Entscheidungen bei der nichtvollständigen Information

Fuzzy-Logik, Künstliche Neuronale Netze

Expertensysteme bei der Netzplanung und Netzdiagnose

Vorgänge in Betriebsmitteln (Modellierung)

- Schaltvorgänge und Schaltgeräte Definition Schalter, Einteilung und Anforderungen an Schaltgeräte, Lichtbogen, Steuerung und Beherrschung

- Konstruktive und betriebliche Maßnahmen, Blitzendladung - Darstellung von Wanderwellenvorgängen Allgemeine Zusammenhänge,

Wellengitter nach Bewley, Bergeron Verfahren, Numerisches Verfahren, Dämpfung und Verformung der Wanderwelle

- Begrenzung von Überspannung

Netzschutz und Leittechnik

– Power system protection –

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Rainer Krebs

Ü 1 SWS: Prof. Dr.-Ing. Rainer Krebs


Die Vorlesung behandelt im Detail die Auslegung von Schutzkonzepten in heutigen Netzen und zukünftigen Smart Grids.

Grundlagen

Schutzgenerationen

Schutzprinzipien

analoge und digitale Signalaufbereitung


digitale Messalgorithmen

Entscheidungsmethoden und Logik

Künstliche Intelligenz für Schutzzwecke

Beispiele

Photovoltaische Energiesysteme

– Photovoltaic energy systems –

SS V 2 SWS: Dipl.-Ing. Hans-Dieter Musikowski

Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Hans-Dieter Musikowski

Die Vorlesung behandelt die technischen und physikalischen Aspekte der Photovoltaik und geht auf die Auslegung solcher Systeme auch in Hinblick auf Smart Grids ein.

Energetisches Potential der Sonne

physikalische Grundlagen

photoelektrische Effekte in Halbleitern

photovoltaische Energiewandlung mit Solarzellen

Aufbau von Photovoltaikanlagen

Berechnung und Auslegung von Photovoltaikanlagen

Solar-Wechselrichter

Anwendung photovoltaisch erzeugter Elektroenergie

Power Network Planning and Operation (in Englisch)

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski


The lecture deals with the basic knowledge of the power system, especially the task for Smart Grids.

Equivalent circuits of the resources

Energy transmission over a short line

Calculation of energy transmission facilities and grids

Operation of the power system, three phase line, synchronous generator, power system control, power system protection

Short circuit calculation


Symmetrical components, unbalanced circuits in symmetrical components

Star point connection, ground fault, earth fault

Power System Economics and Special Topics (in Englisch)

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Zbigniew Antoni Styczynski

Dr.-Ing. Pio Lombardi


The lecture deals with fundamentals and basic knowledge of economic in power systems, especially in consideration of Smart Grids.

Power Market Fundamentals (Liberalised energy market, Cost calculation, Market structure)

Network reliability (Fundamentals, generation, VOLL-Pricing, electricity markets)

Market Architecture Repetitorium (Real time market, Ancillary-, System services)

Power Station Scheduling (Power transmission and losses, limits, Congestion pricing)

Locational Pricing, PTDF

New Concepts (Smart Grid, Virtual Power Plant, E-Mobility)

Emission Trading and Renewables (Kyoto-Protokol, EU and German energy policy, CO2 capture and storage)

Renewable Energy Sources (in Englisch)


Ü 1 SWS: Dipl.-Ing. Hans-Dieter Musikowski

The lecture deals with the basic knowledge of renewable energy sources, especially in consideration of Smart Grids.

Energy balance of the earth

Photovoltaic (physical fundamentals, potentials, costs)

Wind energy (physical fundamentals, potentials, costs)

Fuel cells (fundamentals, systems, costs)

Other alternative energy sources (hydro power, geothermal, biomass)

Energy storages (batteries, mechanical systems, flywheel, capacitors, superconductor)

Smart Grids with renewable energies


Windenergie

– Wind energy –

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Antje Orths


Die Vorlesung behandelt die physikalischen und technischen Grundlagen von Windkraftanlagen, zeigt Potentiale und Systeme sowie die Integration in zukünftige Netze.

Geschichte der Windnutzung

Potential der Windenergie

Physikalische Grundlagen

Aerodynamik

Komponenten der Windkraftanlage

Generatoren

Netzanschluss

Ökonomische Effizienz

Windenergie in der öffentlichen Diskussion

2.2.2 Abgeschlossene Studienarbeiten und Forschungsprojekte

[1] Ahmet Can Yüksel; “Preparation of the guideline for performing a reliability analysis in PSS SINCAL simulation software”

[2] Alm, Veit: Optimierungsalgorithmus für virtuelle Kraftwerke unter Verwendung eines Netzsimulators

[3] Arnold, Patrick: Praktische Untersuchungen an einem autonomen Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung definierter Lastszenarien

[4] Bernotat, Stefan: Optimierung von Lastflüssen durch die Vorhersage von Lastspitzen und –senken mittels intelligenter Netze

[5] Chengli Dai; “Applikation zur Beobachtbarkeitsuntersuchung in elektrischen Netzen“

[6] Dannenberg, Martin: Entwicklung und Umsetzung eines Mess- und Auswertekonzepts für die Bereitstellung von Systemdienstleistungen durch Elektrofahrzeuge

[7] Du, Baohong: Wirtschaftlichkeitsanalyse der Ladeinfrastruktur für die Netzintegration von Elektrostraßenfahrzeugen in unterschiedlichen Regionen


[8] Genzmehr, René: Entwicklung und Umsetzung einer Web-basierten Anwendung zur nutzerorientierten Darstellung des elektrischen Energieverbrauchs der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

[9] Guo, Yifeng: Modellierung und Untersuchung von Photovoltaikanlagen mit MPP-Regelung und Speicher bei Änderungen der Einstrahlung

[10] Habicht, Tobias: Erweiterung eines generischen Netzmodells für die Untersuchung der Netzbelastung durch Elektromobilität in städtischen Gebieten

[11] Heideck, Konrad: Untersuchungen zur Unterstützung des Netzbetriebes mittels PMU für besondere Netzzustände

[12] Hernández, L. Arturo: Bestimmung des Kupferpotentials bei der Modernisierung von Wohnungsinstallationen

[13] Hussein, Bilal: Comparison of power quality analysis in electrical transmission networks with the influence of renewable power generation

[14] Keller, Norman: MSR-Schema für eine Brennstoffzellenversuchsanlage

[15] Krtschil, Florian: Entwurf und Realisierung einer Schaltung zur Zellspannungs-überwachung von LiPo-Zellen

[16] Kühne, Marcus: Erstellung und Überarbeitung der Aufgabensammlung zur Vorlesung „Elektrische Energienetze I“

[17] Ma, Xin: Modellierung und Parameteroptimierung dynamischer Lasten im elektrischen System

[18] Martynenko, Yuriy: Unterstützung des Netzbetriebes durch Einsatz zeitsynchronisierter Messungen der Netzparameter

[19] Nagel, Alexander: Batterieinformationssystem für das am Lehrstuhl genutzte Fahrzeug SAM

[20] Nguyen, Son: Untersuchung der Abläufe des Energiemarktes

[21] Platini, Martin: Methoden zur Modellierung von Elektrofahrzeugen auf Basis von realen Messwerten

[22] Renner, Robert: Untersuchung zur Regelung elektrischer Netze mit Elektrofahrzeugen als Energiespeicher bei einem hohen Anteil regenerativer Energien

[23] Siddiqui, Saquib: Deployment of PV for electrification in rural regions of India

[24] Snigovyi, Oleksandr: Ermittlung von Lastprofilcharakteristiken für Gebäudekomplexe

[25] Somani, Archit: Economic analysis of solar energy technologies


[26] Stephan, K.-Ludwig: Untersuchung zur Nutzung von Salzkavernen für Druckluftspeichersysteme in Europa

[27] Sun, Haichuan: Investigate the voltage flicker in VSC-HVDC transmission systems

[28] Täschner, Norman: Entwicklung und Umsetzung einer Schnittstelle zwischen einem Auslesesystem für Smart Meter und einer CIM-konformen Datenbank

[29] Ullah, Ihsan: Conception and implementation of a module for electric vehicles communication

[30] Uzzol, Ali Rezza: Literature survey on the requirements of power system protection in Smart Grids

[31] Vu-Chi, Trung: Öffentliche Nutzung der Uni-Ladestation für E-Fahrzeuge aus wirtschaftlicher Sicht

[32] Wegen, Kevin: Virtuelle Kraftwerksstrukturen – Technische Ansätze zur Netzplanung und deren wirtschaftliche Bewertung

[33] Winkler, Adrian: Praktische Untersuchungen an Brennstoffzellensystemen unter Berücksichtigung definierter Lastszenarien

2.2.3 Abgeschlossene Diplom- und Masterarbeiten

[1] Aldinger, Karsten: Untersuchung, Kofektionierung und Konstruktion eines Batteriespeichers mit Batteriemanagementsystem

[2] Böttcher, Marcel: Entwicklung eines Netzmodells für die Planung eines zukünftigen Energieversorgungssystems mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien

[3] Chu, Huina: Erweiterung eines existierenden Wake-Effekt-Modells für die Windpark Planung Optimierung

[4] Chychykina, Iryna: Aufbau eines Inbetriebnahmeprotokolls für die Einbindung neuer Netzmodelle in ein SIGUARD-DSA System

[5] Fröbel, Anke: Optimierung des Leistungsflusses für DC-Offshore-Netze

[6] Goes, Robert: Auswertesystem zur Inbetriebnahme eines Stromdichtemessgerätes

[7] Hennig, Matthias: Zuverlässigkeitsanalyse im Verteilnetz mit hohem Anteil von erneuerbaren Energiequellen

[8] Herpertz, Sascha: Business Case Smart Grid vor dem Hintergrund regulatorischer Investitionsanreize

[9] Hinz, Roman: Erarbeitung eines Konzeptes für Overlay-Netzverbindungen


[10] Luo, Caijin: Auswirkungen des Schnellladens mobiler Speicher in Energieversorgungsstrukturen

[11] Kosch, Stephan: Elektrische und thermische Auslegung einer Lithium-Ionen-Batterie

[12] Kriegel, Andreas: Analyse des Einflusses von Freileitungsmonitoring auf die Integration von erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen in elektrischen Verteilungsnetzen

[13] Mackow, Andrzej: Verhalten einer PEM-Brennstoffzelle bei Änderung der Strömungsrichtung

[14] Meishner, Fabian: Umsetzung einer CIM-konformen Schnittstelle zur Übertragung simulierter Messwerte

[15] Müller-Grunau, Arne: Optimierung der Wasserstoffausnutzung in Brennstoffzellensystemen

[16] Mydlowski, Piotr: Untersuchungen zum Simulationsmodell und zu Regelungskonzepten für VSC-HVDC-Übertragungssystemen

[17] Pluntke, Helge: Störfestigkeitsuntersuchung von typischen Niederspannungs-haushaltsgeräten

[18] Richter, Marc: Erstellung einer Auswertesoftware für die Inbetriebnahme von E-Fahrzeugen

[19] Schoene, Robert: Untersuchungen zur Leistungsregelung einer PEM-Brennstoffzelle

[20] Seidl, Tobias: Energiekonditionierung für eine Brennstoffzellenversuchsanlage

[21] Tschiersch, Gunnar: Wirtschaftlich-technische Untersuchung von Energieversorgungssystemen mit einem hohen Anteil dezentraler Erzeugungsanlagen

[22] Unruh, Felix: Online-Diagnoseprogramm für ein PEM-Brennstoffzellensystem

[23] Vu-Chi, Trung: Steady state and dynamic modeling of voltage source converter based HVDC systems


2.3 Lehrstuhl für Leistungselektronik


Lehrveranstaltungen für Bachelor-Studiengänge

Grundlagen der Leistungselektronik

– Introduction to power electronics –

SS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann

Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin

Dipl.-Ing. (FH) Stefan Förster

WS P 1 SWS: Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin



Gleichstromsteller - Tiefsetzsteller

- Funktion - Anwendungsbeispiel: Gleichstrom-Antrieb einer elektrischen Bahn

- Hochsetzsteller - Funktion - Anwendungsbeispiel

- Zwei-Quadranten-Steller - Brückenzweig - Funktion - Anwendungsbeispiel

H-Brücke (selbstgeführt mit Spannungszwischenkreis) - Herleitung - Steuerverfahren: Pulsbreitenmodulation - Anwendungsbeispiele:

- Vier-Quadranten-Antrieb mit Gleichstrommaschine - Betrieb als Wechselrichter, z. B. in Photovoltaik-Anlagen - Betrieb als Gleichrichter

dreiphasige Brückenschaltung (selbstgeführt mit Spannungszwischenkreis) - Herleitung - Steuerverfahren - Wechsel- und Gleichrichterbetrieb, z. B. für Drehstromantrieb

Netzgeführte Brückenschaltungen - Schaltungen:

- ungesteuerter Gleichrichter


- vollgesteuerte Brückenschaltung - Funktion:

- Funktionsprinzip - Schaltungsberechnung für konstanten Gleichstrom

- Netzrückwirkungen

Leistungselektronische Schaltungen

– Power electronic circuits –


Ü 1 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer

P 1 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer



Leistungshalbleiter-Bauelemente: - MOSFET - IGBT - Diode

unter besonderer Berücksichtigung von

- Funktionsweise - statischem und dynamischen Verhalten - Aufbautechnik - schaltungsgerechter Auslegung

Ansteuerung, Systemarchitektur

Informationsverarbeitung in leistungselektronischen Systemen

– Data processing in power electronic systems –

SS V 2 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer


Es werden die einzelnen Komponenten der Informationsverarbeitung, Steuerung, Regelung, Anpassung sowie des Schutzes in leistungselektronischen Schaltungen behandelt.

Besonderer Schwerpunkt ist dabei die Integration von Steuerungskomponenten und Leistungshalbleitern.

Es werden ausgewählte Beispiele ausführlich dargestellt.


Elektronische Bauelemente für Mechatroniker

– Electronic devices (for students of mechatronics) –

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann


Halbleiter

Diode

Bipolar-Transistor

Feldeffekt-Transistor

weitere Bauelemente

Allgemeine Elektrotechnik 1

– Electrical engineering and electronics –



Dipl.-Ing. (FH) Stefan Förster (WS2010/2011)




P 2 SWS Dipl.-Ing. Mario Stamann





Dipl.-Ing. (FH) Stefan Förster und Kollegen

Grundbegriffe

Stromkreise

Wechselgrößen

elektrische und magnetische Felder

– Veranstaltung für Nicht-Elektrotechniker; Allgemeine Elektrotechnik 2 vgl. auch Abschnitt 2.1.1 –


Lehrveranstaltungen für Master-Studiengänge

Leistungselektronische Systeme

– Power electronic systems –



netzfreundliche Gleichrichter mit Korrektur des Leistungsfaktors

- einphasig - dreiphasiger Vienna-Rectifier

Schaltnetzteile

- Sperrwandler - Durchflusswandler

Systemarchitektur

Leistungselektronik zur Nutzung von aus erneuerbaren Quellen erzeugter elektrischer Energie

Stromversorgungstechnik

– Power supplies –

WS 2010/2011 V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann





Leistungshalbleiter-Bauelemente

- Diode - Thyristor - MOSFET - IGBT

Steuerung leistungselektronischer Wandler

- Wandlernahe Steuerungskomponenten - Generierung von netzsynchronen Signalen - Geregelte leistungselektronische Wandler - Treiberschaltungen und Schutzfunktionen


Aspekte der elektromagnetischen Verträglichkeit bei leistungselektronischen Stromversorgungen

- Netzrückwirkungen: Flicker, Harmonische, Zwischenharmonische - Höherfrequente EMV: geleitete und gestrahlte Störemissionen - Jeweils Entstehung, Messung, Bewertung und Reduzierung

WS 2011/2012 V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann



Ü 1 SWS Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin


leistungselektronische Stromversorgung von Subsystemen mit Quelle, Speicher und Last

- leistungselektronische Stellglieder - Regelung im Subsystem - Regelung netzgekoppelter Subsysteme als aktive Filter

Eigenschaften leistungselektronischer Stromversorgungen

- elektromagnetische Verträglichkeit - Zuverlässigkeit

Simulation und Entwurf leistungselektronischer Systeme

– Simulation and design of power electronic system –

SS V 2 SWS: Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin


Rechentechnische Simulation leistungselektronischer Schaltungen am Beispiel des Simulationsprogramms SIMPLORER

Modellbildung bei leistungselektronischen Bauelementen

Besonderheiten der Messtechnik in der Leistungselektronik

Funktionsprinzipien und Anwendung digitaler Messmittel

Signalanalysesoftware

Integration von Leistungshalbleitern

Ausführung leistungselektronischer Baugruppen, Geräte und Anlagen u.a. unter konstruktiven, kühltechnischen und EMV-Aspekten


Elektrothermische Prozesse mit leistungselektronischen Stromquellen

– Power electronic supplies for electro-thermal processes –






leistungselektronische Prozess-Stromversorgungen

Widerstandsschweißen

- Prinzip des Widerstandsschweißens - Verfahrensvarianten - Steuerung des Schweißprozesses - Leistungsteilschaltungen

Lichtbogenschweißen

- Prinzip des Lichtbogenschweißens - Metall-Schutzgasschweißen: gesteuertes Kurzlichtbogen- und

Impulsschweißen - Wolfram-Inertgas-Schweißen - Entwurf einer Inverterstromquelle - Prozesssteuerung

Power Electronics

WS V 2 SWS: Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin


introduction

buck-/boost chopper, phase leg

- function - applications

functional principle plus ratings and characteristics of main power electronic components

- MOSFET - IGBT - diode


- aspects of packaging

circuit theory, behavior and dimensioning of components in converters

- static - dynamic

H-bridge

- control method: pulse width modulation (PWM) - application: inverter, rectifier

three-phase bridge

- control method: pulse width modulation (PWM) - operation as inverter, rectifier

Advanced Power Electronics

SS V 1 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer


P 1 SWS: Dr.-Ing. Wolfgang Fischer


Dipl.-Ing. Stefan Förster

system design by combinations of basic circuits

selected advanced circuits, e. g.

- power factor correction - switched mode power supplies - bidirectional operation of DC/DC converters

selected systems with advanced circuits, e. g.

- grid-connected multi-stage converters

Power Electronic Components and Systems




Power electronic components

- derivation of device base equations - functionality, ratings and characteristics of IGBT, MOSFET and diode - packaging and assembly

power electronic systems


- component stress in selected power supply and drive systems - dimensioning - reliability

parameterization of dynamic simulation models

- diode - IGBT

2.3.2 Abgeschlossene Forschungsprojekte

[1] Behrens, L.: Statistische Analyse von Messreihen gestrahlter Störemissionen

[2] Chen, K.: CAD-basierte Berechnung magnetischer Bauelemente für die Leistungselektronik

[3] Eckhardt, T.: Aufbau einer universellen Schnittstellen- und Steuereinheit für ein DSP-System

[4] Gu, Q.: Reliability of power semiconductors

[5] Li, J.: Messplatz zur Bestimmung elektrischer Kenngrößen von Leistungshalbleitern

[6] Nguyen, T.: Teaching Module “Soft Switching Converters”

[7] Novikov, I.: Untersuchung des Wirkungsgrades eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers mit galvanischer Trennung

[8] Wang, X.: Simulative Investigation of Magnetic Field Exposure of Bodies

[9] Zhou, Y.: Management in einem dezentralen Energieversorgungssystem

2.3.3 Abgeschlossene Bachelor- und Studienarbeiten

[1] Ballhorn, L: Einflüsse von Geometrieaspekten auf die Streuinduktivität von Transformatoren

[2] Gnade, M.: Konstruktion und Aufbau der Steuerung eines Lastwechselstandes

[3] Ihonin, P.: Erweiterung eines Anlaufgerätes für permanenterregte Synchronmaschinen und Untersuchung der erzeugten Oberschwingungsspektren

[4] Kopp, O.: Aufbau eines Systems zur Erfassung und Verarbeitung mechanischer Messgrößen an einem Antriebsversuchsstand in Verbindung mit einem leistungselektronischen Anlaufgerät

[5] Middelstädt, L.: Implementierung von Steuerungsalgorithmen für ein DSP-System zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine mittels Drehstromstellers

[6] Nulsch, P.: DSP-basierte Ansteuerung von Wechselrichtern

[7] Rohde, M.: Erweiterung des Versuchsstandes Bordnetzsimulator


2.3.4 Abgeschlossene Master- und Diplomarbeiten

[1] Bauch, J.: Erweiterte Analyse und Kompensation von kapazitiven Störströmen sowie deren Einfluss auf das Störspektrum der geleiteten Störemissionen

[2] Chen, X.: Teststand für Photovoltaik-Wechselrichter mit programmierbarer DC-Stromquelle

[3] Guo, Y.: Frequenzumrichter für niedrige Eingangsspannung

[4] Lu, Y.: Verlustleistungsanalyse von bidirektionalen DC/DC-Wandlern

[5] Wu, H.: Dreipunktumrichter für Niederspannungsanwendungen


2.4 Institutsebene

2.4.1 Kooperationen

Delegation aus Donetzk

Bericht von M. Sc. Natalia Moskalenko

Im Rahmen einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg und der Politechnischen Universität Donetzk (Ukraine) wurde eine Exkursion mit den ukrainischen Professoren, geleitet durch Professor V.I. Kalashnikow, in Magdeburg durchgeführt.

Während dieser Exkursion fand ein Seminar zum Thema „Smart Grid“ mit den wissenschaft-lichen Mitarbeitern Dr.-Ing. P. Komarnicki, M. Sc. N. Moskalenko, Dipl.-Ing. C. Wenge, des Lehrstuhls „Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen“ (LENA) unter Leitung von Professor Z. Styczynski statt. In diesem Seminar wurde das Thema „Hauptkonzepte der neuen intelligenten Netze und erneuerbaren Energiequellen“ vorgestellt. Weiterhin wurde eine mögliche Methodik zur Integration dieser Technologien, und ihre Anwendung in Deutschland am Beispiel von konkreten Projekten „RegModHarz“ und „Harz-EE-Mobility“ präsentiert.

Ein weiterer Bestandteil der Exkursion war die Besichtigung der Labore des Lehrstuhls LENA (PMU-Labor, Schutztechnik-Labor und Brennstoffzelle-Labor), sowie die praktische Erpro-bung von Elektrofahrzeugen, zur Demonstration der Elektromobilität.

Bild 2.1: Die Gäste aus Donetzk am Elektrofahrzeug vor Gebäude 09


Hilfe, die Russen kommen!

Beitrag von M. Sc. Natalia Moskalenko Dipl.-Ing. Ines Hauer

Im Rahmen der langjährigen Kooperation zwischen der Otto-von-Guericke-Universität und der staatlichen techni-schen Universität Irkutsk (Russland) wur-de im Oktober 2011 die Delegation aus Sibirien empfangen. Die durch den Deut-schen Akademischen Austauschdienst (DAAD) gesponserte einwöchige Reise wurde unter der Führung des Professors

N. I. Voropai (Leiter des Institutes für Energiesysteme, sibirische Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften) durchge-führt. Die 12-köpfige russische Gruppe bestand aus Professoren, Doktoren und Doktoranden des Instituts für Energiesysteme, Universität Irkutsk.

Der Aufenthalt in Deutschland wurde durch die Mitarbeiter des Lehrstuhls „Elektrische Net-ze und Alternative Elektroenergiequellen“ (LENA) organisiert und beinhaltete zahlreiche wis-senschaftliche und kulturelle Veranstaltungen für die Gäste.

Das kulturelle Programm der Besucher erstreckte sich von historischen Stadtrundführungen der Städte Magdeburg, Wernigerode und Berlin, über die Besichtigung des technischen Mu-seums „Der Jahrtausendturm“ bis zur kulinarischen Begebenheit mit dem typischen deutsch-türkischen „Studentengrundnahrungsmittel“, dem Döner.

Der wissenschaftliche Bestandteil dieser Reise wurde am zweiten Tag durch das gemeinsam abgehaltene Seminar zum Thema „Smart Grid“ unter der Führung des Professors Z. Sty-czynski (LENA) eingeleitet. Während dieses Kolloquiums präsentierten die Wissenschaftler beider Universitäten ihre Forschungsergebnisse und nahmen anschließend an der darauffol-genden Diskussion teil.

Der nachkommende Tag bildete den Höhepunkt der organisierten Reise und ermöglichte der russi-schen Delegation einen tiefen Ein-blick in die tägliche Arbeit des deut-schen Übertragungsnetzbetreibers „50Hertz“. Nach einer kurzen aber umfassenden Vorstellung des Un-ternehmens durch den Herrn H.-P. Erbring bekamen die Gäste Zugang zu der neuesten Leitwarte des Be-

Bild 2.2: Gäste aus Irkutsk

Bild 2.3: Besuch bei der 50Hertz GmbH Berlin


treibers. Für diese seltene Möglichkeit möchte sich der Lehrstuhl für „Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen“ (LENA) besonders bei der Frau Dr. Saßnick und den Her-ren Erbring und Kranhold bedanken. Im Anschluss fand ein unvergessliches Abendessen mit den Organisatoren der Unternehmensbesichtigung in dem außergewöhnlichen Restaurant „Umspannwerk-Ost“ statt.

Am nächsten Tag erfolgte die Besichtigung der Stadt der erneuerbaren Energie Dardesheim, in welcher die Teilnehmer die Projekte „RegModHarz“ und „Harz-EE-Mobility“ vor Ort be-schauen konnten. Zusätzlich wurde unter der Leitung von Herrn Voigt eine Exkursion durch den Windpark „Druiberg GmbH & Co.“ durchgeführt.

Am fünften Tag wurden die russischen Gäste von dem Fraunhofer Institut in das Virtual Reality Development Training Center (VDTC) eingeladen. Im Rahmen dieses Besuches wurde unter anderem der Elbe-Dom (360° Projektor) und andere Visualisierungstools für Virtual Reality im Einsatz vorgestellt. Anschließend erfolgte die praktische Demonstration und Erprobung der Elektro-fahrzeugflotte des Fraunhofer Instituts.

Den Abschluss der interessanten und faszinierenden Reise bildete das gemeinsame Abend-essen in dem griechischen Restaurant „Korfu“. In einer familiären Atmosphäre bedankten sich hier unsere russischen Kollegen bei Professor Z. Styczynski und seinen Mitarbeitern für die Gastfreundlichkeit und die gelungene Organisation dieser Exkursion. Im Verlauf des Abends wurde sich auf die Erlebnisse der vergangenen Tage zurück besinnt und auch mit so manchem Glas auf die gemeinsame zukünftige Zusammenarbeit angestoßen.

Der Lehrstuhl für „Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen“ (LENA) bedankt sich bei den Teilnehmern und Organisatoren dieser gelungenen Reise und hofft auf ein bal-diges Wiedersehen.

Bild 2.5: Abendessen im „Umspannwerk Ost“

Bild 2.4: Besuch Windpark Druiburg


Erstes Labor für Netzschutz- und Leittechnik im Smart Grid an der Otto-von-Guericke Universität eröffnet.

Bericht von Dipl.-Ing. Ines Hauer M. Sc. André Naumann

Am 19.07.2011 wurde feierlich das Labor für Netzschutz- und Leittechnik im intelligenten elektrischen Netz, das erste Smart Grid Lab in Deutschland, eröffnet. Die Ausstattung des Labors wurde von der Siemens AG der OvGU zur Verfügung gestellt. Nach der Begrüßung durch Prof. Andreas Lindemann, Dekan der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, betonte Prof. Klaus Erich Pollmann, Rektor der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, welche Bedeutung die Zusammenarbeit zwischen Universität und Industrie für Forschung und Lehre hat. Im Anschluss wurde von Prof. Rainer Krebs, Vertreter der Siemens AG und Honorarprofessor an der Otto-von-Guericke Universität, die Wichtigkeit der Entwicklung der elektrischen Netze hin zum Smart Grid erläutert. Eine kurze Demonstration durch André Naumann, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen, zeigte einige Funktionalitäten des neu ausgerüsteten Labors. Das neue Labor erlaubt die Erprobung und Erforschung neuer Kommunikationsstandards, welche im elektrischen Netz für Netzschutz- und Leittechnik Einsatz finden sollen und Voraussetzung zur Realisierung von Smart Grids sind. Hierbei können Aspekte wie die intelligente Zählwerterfassung (Smart Metering) und automatische Netzschutzalgorithmen erprobt werden, welche in allen Spannungsebenen Anwendung finden. Durch den Einsatz moderner, standardisierter Kommunikationsprotokolle können neuartige Verwaltungssysteme für die Fülle der Informationen aus dem elektrischen Netz getestet und weiterentwickelt werden, so wie die problemlose Integration weiterer Anlagen in das elektrische Netz. Für die Ausbildung von Studenten der elektrischen Energietechnik leistet dieses Labor eine wichtige Funktion, da die zukünftigen Netze immer komplexer werden und diese nur unter Anwendung neuer Netzschutz- und Leitkonzepte stabil betrieben werden können. Im Bereich der Energieversorgung wird also dieses Know-How zukünftig entscheidend sein und entsprechend ausgebildete Absolventen sind bereits heute gefragt.

Bild 2.6: Eröffnung des neuen Netzschutz und Leittechniklabors in Gebäude 09 / 101


Erste Absolventenverabschiedung an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

Bericht von Dipl.-Ing. Ines Hauer

Am 27.05.2011 fand im Zuge des Alumni-Wochenendes der Otto-von-Guericke Universität die erste offizielle Absolventenverabschiedung in der FEIT statt. Begleitet von einem Streichquartett verabschiedeten der Dekan Herr Professor Lindemann und der Prodekan Herr Professor Rose die Absolventen des letzten Jahrgangs Mai 2010 - Mai 2011 im feierlichen Rahmen. Anschließend wurden die prämierten Imagefilme für die FEIT, die von Studenten der Medienbildung erstellt wurden, vorgestellt und ausgezeichnet.

Im Anschluss an die feierliche Verabschiedung in den Fakultäten fand eine zentrale Absolventenverabschiedung aller Fakultäten in der Festung Mark statt, wo die Fakultätsbesten vom Rektor Herr Professor Pollmann geehrt wurden. Als Fakultätsbeste der FEIT wurde Frau Ines Hauer ausgezeichnet.

Bild 2.7: Erste feierliche Absolventenverabschiedung an der FEIT

IEEE Student Branch E-Techniker nahmen an IEEE Xtreme Programming Competition 5.0 teil

Beitrag von Robert Renner

Am 22. Oktober 2011 um 2:00 Uhr nachts startete zum fünften Mal der 24 Stunden IEEEXtreme Programmierwettbewerb. Die IEEE-Studentbranch der Otto-von-Guericke-Universität war zum dritten Mal vertreten, allerdings nicht wie in den letzten Jahren mit einem Team, sondern dieses Mal gleich mit drei Teams – Bild 2.8. Nachdem sich die Programmierer gemütlich im Labor des Lehrstuhls für Theoretische Elektrotechnik eingerichtet haben, starteten sie eifrig mit der Bearbeitung der Programmier-Aufgaben.


Bild 2.8: v.l.n.r.: Folkhart Grieger, Matthias Friedrich, Andreas Mantzke, Moritz Meinhardt, Marcel Benecke

Das erfolgreichste Team waren die PepiHackerOvGU, diese setzten sich aus Matthias Friedrich, Folkhart Grieger und Andreas Mantzke zusammen. Sie schafften es, sechs Fragen zu lösen, und erreichten damit Platz 202 von 1515 teilnehmenden Teams weltweit und Platz 54 von 272 in der Region 8. Das Team OvGUTripleM, bestehend aus Markus Gnade und Moritz Meinhardt, erreichte Platz 696 und in Region 8 Platz 178. Bei den Teams OvGUPartTimeCoder probierten Marcel Benecke, Robert Renner und Frank Wilhelms, die Aufgaben zu lösen.

Dank der erstklassigen Versorgung durch Sebastian Schulz mit Frühstück, Kaffee und Gebäck konnten die PepiHackerOvGU und OvGUTripleM 23 Stunden am Stück programmieren und stoppten erst am 23. Oktober 2011 und 1:00 Uhr. Es hat uns viel Spaß gemacht und wird werden nächstes Jahr wieder starten, hoffentlich mit noch mehr Teilnehmern und mit noch größerem Erfolg.

IEEE Student Branch erfolgreich bei 3. Magdeburger Firmenstaffel am 07.07.2011

Beitrag von Dipl.-Ing. Marcel Benecke

Am Donnerstag, 07.07.2011 fiel der Startschuss zur 3. Magdeburger Firmenstaffel, an dem in diesem Jahr auch die lokale „IEEE Student Branch Otto-von-Guericke“ mit einem Team vertreten war. Einen 2,5 km langen Rundkurs galt es bei sommerlich heißen Temperaturen für die jeweils fünf Läufer einer Mannschaft zu absolvieren. Dabei erreichte das Student Branch Team Bild 2.2 einen sehr guten 16. Platz unter 157 Herren-Teams bzw. Platz 25 unter allen 450 teilnehmenden Mannschaften. Anschließend wurde das erzielte Ergebnis mit den anwesenden Fans aus der Branch bei einer kleinen Grillfeier im Stadtpark gefeiert.


Bild 2.9: Läufer: v.l.n.r. Mathias Magdowski, Robert Renner, Marcel Benecke, Folkhart Grieger, Matthias Friedrich

Die Firmenstaffel hat sich in Magdeburg fest etabliert. Zur 3. Auflage trafen 2.250 Läufer als Vertreter aus Unternehmen aus der Wirtschaftsregion Magdeburg aufeinander und sorgten für beeindruckende Bilder und Volksfeststimmung. Die 4. Firmenstaffel findet voraussichtlich am 19.07.2012 statt.

Vortrag und Moderator des Podiums zum Thema Demand Side Integration

Beitrag von Dipl.-Ing. Martin Stötzer

Prof. Styczynski leitet seit 2010 eine Task Force in der Energietechnischen Gesellschaft des VDE, die sich mit dem Thema Demand Side Management beschäftigt. Das Thema gehört unmittelbar zu dem Gebiet Smart Grid, das den Schwerpunkt der Arbeiten am Lehrstuhl LE-NA bildet. In dieser Gruppe arbeiten Experten aus Industrie (z.B. Siemens, ABB, Bayer AG), Energieversorgungsunternehmen wie z.B. RWE und Forschungsinstitutionen wie z.B. dena und FhG zusammen, um die Potentiale der steuerbaren Lasten in Deutschland zu ermitteln. Die ersten Ergebnisse der umfangreichen Arbeiten wurden auf Einladung des VDE bei der Hannover Messe 2011 im Rahmen des sehr erfolgreichen Formats "Life needs Power" vorge-stellt. Am 7. Mai hat Herr Professor Styczynski unmittelbar nach dem EU-Kommissar für Energie, Herr Günther Oettinger, die Studie in seinem Referat vorgestellt und in der an-schließenden Expertenrunde unter seiner Leitung die wichtigsten Aspekte der Studie disku-tiert. An der Diskussion war auch der dänische Partner der OvGU, die Fa. Energinet.dk in Per-sona Peter Børre Eriksen, beteiligt.

Die beiden Veranstaltungen wurden in der Halle 12 von mehr als 200 Personen mit großem Interesse verfolgt, was auch durch viele Fragen des Publikums belegt war. Die Details zu den Präsentationen sind auf der Homepage http://www.life-needs-power.de/programm.html zu finden.


Bild 2.10: Podiumsdiskussion bei "Life needs Power", v.l.n.r.: Dr. Rolf Apel (Siemens), Thomas Aundrup (RWE), Peter Børre Eriksen (Energinet.dk), Phillip Gronstedt (TU Braunschweig), Prof. Dr. Zbigniew Styczynski (OvGU Magdeburg), Andreas Hösle (Ruhrverband), Volker Knack (ABB), Tobias Küter (Currenta)

Steinbeis Preis an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik


Die Steinbeis Stiftung und die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik haben für das Sommersemester 2011 den Steinbeis Preis für Studenten mit den besten Prüfungsleis-tungen im letzten Wintersemester vergeben. Teilnahmeberechtigt waren alle Studierenden im Studiengang „Elektrische Energiesysteme – Regenerative Energien“. Die Vergabekommis-sion bestand aus Prof. Lindemann (Dekan der Fakultät für Elektrotechnik und Informations-technik, FEIT), Prof. Styczynski (Leiter eines Steinbeis Forschungszentrums) und zwei Lehr-stuhlassistenten des Instituts für Elektrische Energiesysteme. Ziel der Preisvergabe ist die Förderung hochbegabter Studenten und die Attraktivität des Studienangebots der FEIT nach außen zu tragen.

Steinbeis ist heute mit seinem Netzwerk weltweit im Wissens- und Technologietransfer ak-tiv. Den Grundstein dafür legte der Namensgeber Ferdinand von Steinbeis schon im 19. Jahrhundert: Sein Engagement als Wirtschaftsförderer dankten ihm Unternehmer mit einem finanziellen Beitrag, der die Gründung der ersten Steinbeis-Stiftung 1868 zur Förderung der gewerblichen Ausbildung von Jugendlichen möglich machte.

Als Preisträger im Sommersemester 2011 wurde Herr Robert Renner aus zahlreichen Bewer-bungen ausgewählt.

Herr Robert Renner (29) hat seinen Dipl.-Ing. (FH) an der Fachhochschule Bielefeld mit dem Schwerpunkt Elektrotechnik (Studienrichtung Regenerative Energieerzeugung) 2010 abge-schlossen.


Bild 2.11: Übergabe der Urkunde zum Steinbeis-Preis während der LENA-Fachexkursion in die Schweiz, v.l.n.r. Steinbeis-Preisgewinner Robert Renner, Prof. Dr. Zbig-niew Styczynski

Seine Abschlussarbeit hat er in Zusammenarbeit mit der Fa. Dutrain zum Thema „Beurtei-lung von Netzzuständen in der Betriebsführung elektrischer Energienetze“ geschrieben. Seit Oktober 2010 studiert er im Masterstudiengang „Elektrische Energiesysteme – Regenerative Energien“ an der Otto-von-Guericke-Universität. Seine Forschungsinteressen liegen im Be-reich der Nutzung von Elektrofahrzeugen als mobile Speicher im elektrischen Netz und des optimalen Einsatzes von HGÜ-Technologie. Ehrenamtlich ist er in der lokalen IEEE Student Branch „Otto-von-Guericke“ aktiv.

Nach der erfolgreichen Vergabe mehrerer Steinbeis-Preise geht dieses Modell nun in das Deutschland-Stipendium der Otto-von-Guericke-Universität über.

Kooperationsvertrag mit Electric Power University in Hanoi unterzeichnet

Bericht von Dr.-Ing. Krzysztof Rudion

In den Tagen vom 16. bis 18. November 2011 feierte die Electric Power University (EPU) in Hanoi, Vietnam, den 45. Jahrestag ihrer Gründung. Die Eröffnung der dreitägigen Feierlich-keiten hat am 16. November im Rahmen eines internationalen CRIS Expertenworkshops mit Teilnahme von vielen Gästen aus den USA, Russland, Tschechien, Australien, Thailand und Malaysia begonnen. Auch die Delegation aus Deutschland von der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg hat unter der Schirmherrschaft von Rektor Prof. K. E. Pollmann, Prof. Z. A. Styczynski und Prof. R. Krebs von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstech-nik an diesem Festakt aktiv teilgenommen. In diesem Zusammenhang wurde vom Rektor der OvGU Prof. K. E. Pollmann und Rektor der EPU Prof. X. H. Dam ein offizieller Kooperations-vertrag zwischen beiden Universitäten unterzeichnet (siehe Bild 2.12).


Bild 2.12: Prof. Dr. K.-E. Pollmann unterschreibt den Kooperationsvertrag in Hanoi

Dieses Ereignis ist ein weiterer Schritt zur Intensivierung der bereits langjährig bestehenden Kontakte zwischen Hanoi und Magdeburg.

Im Zusammenhang mit diesen Feierlichkeiten wurde im Vorfeld ein offizielles Treffen zwi-schen Rektor Prof. Pollmann und dem vietnamesischen Vize-Premier Prof. Dr. Nguyen Thien Nhan, der seine Promotion erfolgreich an der Otto-von-Guericke Universität in den siebziger Jahren abgeschlossen hat, sowie unter Teilnahme von Prof. Z. A. Styczynski in einer netten Atmosphäre durchgeführt (siehe Bild 2.13).

An der EPU Hanoi wird in Bereichen wie elektrische Netze, Maschinenbau, Regelungstechnik und Automatisierung sowie BWL mit insgesamt 20.000 Studierenden geforscht und gelernt. Der unterzeichnete Kooperationsvertrag unterstützt den Austausch von wissenschaftlichem Personal aber auch von Studierenden zwischen beiden Universitäten und trägt zum gegen-seitigen Wissenstransfer wesentlich bei. Im Rahmen des 45. Jahrestages der EPU wurde der CRIS Workshop durch das Internationale Institut für Kritische Infrastrukturen (engl. Abkür-zung: CRIS) aus Schweden, dessen Präsident Professor Z. A. Styczynski ist, organisiert. In der durch CRIS organisierten Session wurden die Herausforderungen aus dem Bereich künftiger elektrischer Energiesysteme in den Beiträgen aus Deutschland, Vietnam, Russland und USA diskutiert.


Bild 2.13: Prof. Dr. K.-E. Pollmann beim Besuch beim Vice-Premier der VR Vietnam Prof. Nguyen

Höchste Auszeichnung der ETG für Magdeburger Nachwuchswissenschaftler Literaturpreis der ETG geht 2011 nach Magdeburg.

Bericht von Dipl.-Ing. Martin Stötzer

Die Energietechnische Gesellschaft ETG verleiht jedes Jahr einen Literaturpreis. 2011 ging diese renommierte Auszeichnung an Herr Dr. Krzysztof Rudion. Der Magdeburger Jungfor-scher studierte in Breslau und Rostock und promovierte 2008 an der OvGU im Bereich der Integration von Windenergie in elektrischen Netzen. Es ist das erste Mal, dass ein Magde-burger Forscher mit diesem Preis ausgezeichnet wird.

Der hochbegehrte Preis der ETG (Energietechnische Gesellschaft mit etwa 20.000 Mitglie-dern) wird jährlich an die hochrangigste Publikation im Bereich der elektrischen Energie-technik vergeben. Jedes Jahr wählen die Fachbereiche der ETG und die Gutachter aus zahl-reichen Vorschlägen einen bis maximal drei Kandidaten aus, die mit dem Preis ausgezeichnet werden. Wie Herr Prof. Kreusel, Vorstand der ETG, bei der Verleihung des Preises am 8. No-vember in Würzburg lobte, hat Herr Dr. Rudion „ einen erheblichen Beitrag bei der Erfor-schung von zukünftigen Strukturen s.g. Off-Shore Netzen geleistet, die in der Nordsee ge-plant sind“.

Die Veröffentlichung, die er zu diesem Thema bei dem IEEE General Meeting in Minneapolis präsentiert hat und die auch als Basis für die Auszeichnung diente, wird inzwischen als Benchmark für andere Arbeiten angenommen. Die Mitarbeiter des dänischen Übertragungs-netzbetreibers Energinet.dk sind Co-Autoren dieser Publikation. Damit wird die Internationa-lität der Magdeburger Forschung in diesem Bereich zusätzlich verdeutlicht.


Magdeburger Elektrotechniker international gefragt.

Bericht von Dipl.-Ing. Ines Hauer

Das erfolgreich abgeschlossene Studium der Elektrotechnik an der OvGU bedeutet heute einen sicheren Arbeitsplatz zu finden. Nach einer Promotion ist dieser fast garantiert. Wenn man die Statistiken des VDE (Verband der Deutschen Elektrotechniker) analysiert, sind die Perspektiven für Elektroingenieure in den nächsten Jahren noch aussichtsreicher. Am 26. Oktober überreichte Prof. Zbigniew Styczynski in Fredericia Herrn Dr.-Ing. Michal Powalko (ehemaliger Doppeldiplomand der FEIT und TU Wroclaw und Doktorand der FEIT) die Dok-torurkunde. Herr Dr. Powalko promovierte am 19. Juli 2011 an der OvGU im Bereich der op-timalen Integration von erneuerbaren Energien in das elektrische Energienetz und ist schon seit dem 1. August Mitarbeiter bei dem dänischen Übertragungsnetzbetreiber. Der bei der Vergabe anwesende Peter Børre Eriksen, Abteilungsleiter bei der Energinet.dk, sagt Herrn Dr. Powalko eine sehr schöne internationale Karriere voraus.

Bild 2.14: Prof. Zbigniew Styczynski übergibt die Doktorurkunde an Herrn Dr. Powalko in Anwesenheit von seinem neuen Chef Peter Børre Eriksen

Hintergrund

Energinet.dk gehört weltweit zu den führenden Unternehmen, die sich seit mehr als 20 Jah-ren erfolgreich mit der Integration von Regenerativen Energien auseinandersetzen. Die Zu-sammenarbeit mit der OvGU hat eine lange Tradition. Viele gemeinsame Forschungsarbeiten wurden im Rahmen von internationalen Tagungen vorgestellt. Frau Professorin Dr. Antje Orths, Senior Ingenieurin bei der Energinet.dk, die ebenfalls im Jahre 2003 an der OvGU promovierte, ist an der OvGU für das Fach Windenergie zuständig. Sie ist in Deutschland aber auch in Dänemark als die Professorin für Windenergie bekannt. Die Pflichtvorlesung von Frau Professorin Orths, die im Rahmen des Masterstudiengangs Regenerative Energien an der FEIT gelesen wird, hat seit Jahren einen sehr guten Ruf bei vielen Studenten. Herr Dr. Powalko hat während der Promotion ein 6 monatiges Praktikum bei der Firma absolviert und war während seiner Assistentenzeit an der OvGU für die Übungen zu der Vorlesung von Frau Professorin Orths zuständig.


Doppeldiplom mit Polen - ein bewährtes Modell.

Bericht von Dr.-Ing. Michal Powalko

Am 14.09.2011 fand an der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg nach 9 Jahren Koope-ration mit der Universität Wroclaw die letzte Doppeldiplomverteidigung statt. Mit den letz-ten Doppeldiplomstudenten Herr Mackow, der seine Arbeit zum Thema „Verhalten der PEM-Brennstoffzelle bei Änderung der Strömungsrichtung“ geschrieben hat und Herr Mydlowski der „Untersuchungen zum Simulationsmodell und zu Regelungskonzepten für VSC-HVDC-Übertragungssysteme“ machte, haben insgesamt 29 Studenten das Doppeldiplom erhalten. Dazu mussten die beiden ihre Abschlussarbeiten in polnisch und deutsch verfassen und in beiden Sprachen präsentieren. Für diesen Anlass sind Prof.Sobierajski, Prof. Rebizant und Dr. Herlender der Universität Wroclaw nach Magdeburg gekommen.

Am 01.10.2011 fand an der Technischen Universität Wroclaw/ Polen die feierliche Immatri-kulation an der Fakultät für Elektrotechnik statt. Sehr ungewöhnlich war dieses Mal aller-dings, dass gleich zwei Rektoren an dem Fakultätsereignis teilgenommen haben: Prof. Dr. Tadeusz Wieckowski, JM Rektor der TU Wroclaw und Prof. Dr. Klaus-Erich Pollmann Rektor der OvGU.

Anlass dafür war die Vergabe der letzten Doppeldiplome in der ersten Edition an zwei Stu-denten die sowohl in Magdeburg als auch in Wroclaw ihren Abschluss erlangt haben. Die deutsche Delegation bestand aus mehreren Professoren der FEIT. Im Rahmen der Veranstal-tung wurden außerdem Honoris vergeben. Der Rektor der TU Wroclaw bekam unter ande-rem die Medaille der Freunde und Förderer der OvGU und der Dekan der FET der TU Wro-claw die Ehrenplakette des Senats überreicht.

Bei der Eröffnung des Studienjahres in Wroclaw lobten die beiden Rektoren das gelungene Projekt, das auch durch das deutsche Konsulat in Wroclaw und das polnische in Berlin unter-stützt wurde.

Bild 2.15: Verteidigung in Deutschland: v.l.n.r: M.Heuer, Dr. Herlender, Prof. Rebizant, Prof.Sobierajski, A. Mackow, Dr. Komarnicki, P. Mydlowski, Prof. Styczynski, Prof. Wollenberg, C. N. Mau, I. Hauer, S. Rabe


Erfolgreicher Abschluss des Projekts Harz.EE-Mobility

Bericht von Dipl.-Ing. Ines Hauer Dr.-Ing. Mathias Käbisch

Im September 2011 hat der Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergie-quellen mit seinen Partnern das Projekt Harz.EE-Mobility (Leuchtturmprojekt des BMU) er-folgreich abgeschlossen. Auf dem Kongress „Lebenswelt Elektromobilität“ in Mannheim wurden die Ergebnisse aller 7 Leuchtturmprojekte vorgestellt, bei dem das von der OvGU geleitete Projekt sehr gut punkten konnte.

Bild 2.16: Prof. Styczynski übernimmt Mode-ration auf dem Kongress "Lebens-welt Elektromobilität"

Bild 2.17: Präsentation der Mobilitätsleit-warte, Ladesäule und E-Fahrzeug

Bild 2.18: Besuch am Stand von des Harz EE- Mobility Projekts

Bild 2.19: Gruppenbild der Projektleiter

Gastlehrtätigkeit

Auch 2011 hat das Institut an der TU Breslau die Ringvorlesung Renewable Energy Sources gehalten. Dazu reisten Professor Andreas Lindemann, Professor Zbigniew Styczynski, Dr. Krzysztof Rudion, Dr. Pio Lombardi, Dr. Mathias Käbisch und Dipl.-Ing. Maik Heuer in regelmäßigen Abständen nach Breslau, um die englischsprachige Veranstaltung zu unterstützen.


2.4.2 Exkursionen

Studentische Fachexkursion in die Schweiz


Magdeburg, 27. Juli 2011. Der Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergie-quellen organisiert alle zwei Jahre eine studentische Fachexkursion in das Ausland, um den angehenden Ingenieuren die Vielfältigkeit der Herausforderungen in der Energieversorgung zu zeigen. Das erste Ziel war Mannheim bei Verteilnetzbetreiber MVV. Dieser gewährte ei-nen Einblick in seine hochmoderne Leitwarte und informierte über die Entwicklung von Zu-kunftstechnologien, welche zur Realisierung eines intelligenten Stromnetzes (Smart Grid) benötigt werden. Am Abend bekamen die Studenten die Gelegenheit, die Stadt Mannheim zu besichtigen.

Am nächsten Morgen ging es in Richtung Basel, in die Schweiz, wo sich der Pharmakonzern Novartis vorstellte und in Vorträgen seine Ziele für das Energiemanagement und deren Um-setzung präsentierte. Im Anschluss fand eine Führung über den imposanten Campus des Unternehmens statt. Die Gestaltung des Campus, der Büros und Labore bieten ein optimales Umfeld zur Ideenfindung und Teamarbeit.

Weiter ging es zur SwissGrid AG in Laufenburg, am Stand der ersten synchronen Verbindung zwischen dem deutschen, schweizerischen und französischem Übertragungsnetz. Den 35 Studenten und 6 Lehrstuhlmitarbeitern wurde das Schaltfeld, Stern von Laufenburg und eine hochtechnisierten Leitwarte gezeigt. Im Rahmen der Vorstellung wurde die exklusive Lage der Schweiz als Energietransitland verdeutlicht, was eine wesentliche Herausforderung für die Planung und den Betrieb für das Übertragungsnetz des Alpenstaates darstellt. Am Abend konnten die Studenten die schöne Altstadt von Basel besichtigen.

Bild 2.20: LENA-Reisegruppe auf dem Campus der ETH Zürich mit Blick auf die Stadt


Für die vierte Station ist die Exkursionsgruppe über die französische Grenze nach St. Louis zur Trench AG gefahren. Dort konnten in der Fertigung die Herstellung von Durchführungen, Messwandlern und Drosselspulen für die Hochspannungsanwendung beobachtet werden. Anschließend folgte der Besuch der Fachhochschule für Technik und Architektur in Fribourg und die Besichtigung des dortigen Kleinwasserkraftwerks mit der ältesten Staumauer Euro-pas. Am Wasserkraftwerk konnte auch ein historischer 5 MW Dieselgenerator bestaunt wer-den, der früher zur Abdeckung der Spitzenlast eingesetzt wurde.

Am nächsten Tag ging es Richtung Zürich. Auf dem Weg dorthin gewährte der in Baden/Dättwil ansässige Elektrotechnikkonzern ABB einen Einblick in seine Leistungsschalterforschung und zeigte Lösungen zur Optimierung des Stromverbrauchs innerhalb von Gebäuden. In Zürich angekommen, besuchte die Gruppe wohl eine der berühmtesten europäischen Hochschulen für Ingenieurswissenschaften, die ETH Zürich. Dort stellten uns die Doktoranten der Energietechnik (Prof. Andersson, Power System Laboratory) ihre gegenwärtigen Forschungsbereiche vor und zeigten den altehrwürdigen Campus, von dem aus man eine tolle Aussicht über Zürich genießen konnte.

Als letzte Station stand Siemens in Nürnberg auf dem Plan. Auf dem Firmengelände konnten die Produktionsschritte von Transformatoren der höchsten Spannungsstufen bestaunt werden.

Power from the Sun – Besichtigung des Solarparks Cracauer Anger – Fachexkursion für Masterstudenten RE

Beitrag von Dipl.-Ing. Hans-Dieter Musikowski

Am 20. Oktober 2011 fand im Rahmen der Lehrveranstaltungen „Regenerative Energien“ und „Photovoltaische Energiesysteme“ eine Fachexkursion zum Solarpark Cracauer Anger statt. Die Exkursion wurde vom Lehrstuhl „Elektrische Netze und Alternative Elektroenergie-quellen (LENA)“ organisiert.

Auf der ehemaligen Hausmülldeponie am Ortsausgang von Magdeburg entsteht zurzeit ein 8,5-MWp-Photovoltaik-Kraftwerk, das noch bis Ende dieses Jahres fertig gestellt wird. We-gen des unverschatteten Südhanges und der guten Einstrahlungsverhältnisse eignet sich diese Brachfläche besonders für dieses Projekt.

22 Masterstudenten des Studienganges Regenerative Energien nutzten die günstige Gele-genheit, das Entstehen dieses Photovoltaik-Kraftwerkes unmittelbar zu erleben und fach-kompetente Projektinformationen von den Planungs- und Betreiberfirmen zu erhalten.


Bild 2.21: Solarpark Cracauer Anger Foto: WSB Neue Energien GmbH

Unter der Führung von Frau Popp von der Unternehmensgruppe WSB Neue Energien GmbH aus Dresden als Generalunternehmer und Herrn Sträßner als zuständiger Bauleiter von der Elicon Energie GmbH aus Chemnitz erfuhren die Exkursionsteilnehmer interessante Details dieses gegenwärtig größten Solarparks im Stadtgebiet von Magdeburg.

Die Grundfläche dieses Kraftwerkes entspricht der Fläche von rund 15 Hektar. Nach der Fer-tigstellung werden dann 36.140 Solarmodule über 388 Wechselrichter umweltfreundlichen Solarstrom in das 30-kV-Mittelspannungsnetz der Stadt einspeisen.

3. Forschung 50

3 Forschung

3.1 Lehrstuhl Allgemeine Elektrotechnik/Elektrische Aktorik

Lehrstuhl Elektrische Antriebssysteme

3.1.1 Forschungsprofil

Intelligente Steuerung und Regelung von elektromechanischen Systemen

Im Vordergrund stehen hierbei insbesondere Anwendungen in der Robotertechnik und im Maschinenbau. Typische Beispiele für Aufgabenstellungen, die in der letzten Zeit bearbeitet wurden sind der Entwurf eines magnetisch gelagerten Rundtisches, die optimale Steuerung von Reibschweißanlagen, die optimale Steuerung von Dreh-kranen und die Entwicklung von humanoiden Robotern. Alle Anwendungsfälle stellen ausgeprägt nichtlineare Systeme dar, deren Regelung mit herkömmlichen mathema-tischen Methoden nicht möglich oder zu aufwändig ist. Zur Verbesserung ihres dy-namischen Betriebsverhaltens wurden intelligente Steuerungs- und Regelungmetho-den eingesetzt.

Systemintegration unkonventioneller Aktoren

Im Mittelpunkt dieser Forschungsarbeiten stehen Arbeiten zur Vibrationsdämpfung mit Hilfe piezoelektrischer Aktoren und magnetischer Lagerungen. Hierbei werden sowohl Feedforward- als auch Feedbacksysteme angewendet, in deren Kombination ein großes Verbesserungspotential liegt. Mögliche Anwendungen sind beispielsweise die schwingungsisolierte Lagerung von Dieselmotoren oder die aktive Einspannung von großen Scheiben zum Lärmschutz (acoustic screening). Ein weiterer Schwerpunkt dieses Themas ist die Entwicklung von Antriebslösungen mit steuerbarer Nachgiebig-keit (Impedanzregelung). Ihr Einsatzgebiet liegt beispielsweise in der Roboter- und Medizintechnik. Hier kommt es darauf an, das Systemverhalten von menschlichen Muskeln zu reproduzieren oder im Trainings- und Rehabilitationsbereich ein definier-tes Belastungsprofil vorzugeben.

Modellierung und Generierung humanoider Bewegungen

Aktuelle Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Nachbildung humanoider Bewegungen mit Robotern. In Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Fabrikau-tomatisierung entstand ein humanoider Roboter (ROTTO), an dem verschiedene bio-logisch inspiriere Bewegungen experimentell umgesetzt werden. Hierbei spielt die ballistische Steuerung von Bewegungen eine besondere Rolle. Ausgangspunkt sind biomechanische Betrachtungen von menschlichen Bewegungen, die davon ausgehen, dass die Muskeln zu Beginn der Bewegung kurzzeitig aktiviert werden und die Bewe-gung danach im Wesentlichen als freie Bewegung ohne Energieeintrag abläuft.

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3.1.2 Forschungsprojekte

Energieoptimale Ansteuerung und Regelung eines langsamlaufenen direkt gekoppelten Generators kleiner Leistung

Bericht von Dipl.- Wirtsch. Ing. T. Schallschmidt

gefördert durch: Land Sachsen Anhalt, Investitionsbank Sachsen Anhalt

Kooperationspartner: Ramme – Elektro-Maschinen-Bau GmbH, Osterwieck

Das vom Land Sachsen-Anhalt geförderte Verbundprojekt verfolgt die prinzipielle Zielstellung, die technischen Voraussetzungen zur effektiven und wirtschaftlich konkurrenzfähigen Gewinnung von Elektroenergie aus fließenden Gewässern zu schaffen.

Das im Titel beschriebene Teilprojekt ist Bestandteil des Verbundvorhabens PRO-VEKTOR, welches sich mit der Entwicklung und grundlagenorientierte Optimierung eines langsamlaufenden direkt gekoppelten Generators kleiner Leistung für Wasserkraftwerke der neuesten Generation zur deutlichen Wirkungsgraderhöhung und Wirtschaftlichkeits-evaluation beschäftigt.

Bild 3.1: langsamlaufender Generator im Testfeld – Turbine in Rübeland

Im Rahmen der Zusammenarbeit ist in den letzten Monaten mit dem Bau eines Versuchsstandes begonnen worden. Bild 3.1 zeigt den vom Projektpartner, Ramme – Elektro-Maschinen-Bau GmbH, angefertigten Synchrongenerator.

Der Maschinensatz besteht aus einen PM-Synchronmotor (SM) und einen PM-Synchrongenerator (GS). Zur Drehmomentmessung ist eine Drehmomentmesswelle vorgesehen. Auf der gleichen Welle sitzt auch ein Inkrementalgeber (IGR), der für die leistungselektronischen Stellglieder benötigt wird. Die Frequenzumrichter verbinden die beiden Maschinen mit dem frequenzstarren Netz und realisieren die gewünschten Drehzahl- bzw. Drehmomentsollwerte.

Die Sollwerte werden vom dSPACE-Rechner abhängig von den Istwerten ausgerechnet und über D/A-Wandler nach außen geführt. Der Laptop dient dessen Programmierung, Bedienung sowie Visualisierung der Ergebnisse.

In Bild 3.2 ist der prinzipielle Aufbau des Versuchstandes dargestellt.

3. Forschung 52

Bild 3.2: prinzipieller Aufbau des Versuchstandes

Durch den so geschaffenen „trockenen“ Versuchsstand wird die Möglichkeit geschaffen, veschiedene Generatorkonzepte vor einem Einbau an den zuvor ermittelten Leistungskurven der hydraulischen Energiewandlern zu testen. In Bild 3.1 ist eine Turbine dargestellt, deren Leistungsdaten in der nächsten Zeit messtechnisch ermittelt wird. Derzeit wird der Synchronmotor (SM) mit den Leistungs-Drehzahlverhalten eines Wasserrades betrieben und verschiedene Konzepte des MPP-Trackings sollen erprobt werden.

Bild 3.3: MPP-Tracking-Simulation

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Biped Robot "ROTTO"

Bericht von Prof. Dr.-Ing. habil. F. Palis

Introduction

During the last years many researchers [3] are engaged in developing efficient robot proto-types and their control system. Research of the team Robotslab - a joint group of young re-searchers of the Department of Electrical Power Systems and the Fraunhofer Institute for Factory Operation and Automation Magdeburg - deals with designing and developing a stiff and compliant biped robot based on long term experimental experience in the field of bio-inspired robots. The first robot they built in 1997 was the six legged robot KATHARINA fol-lowed by the ant like robot ANTON in 2007 [1]. Since 2007 they have been focusing their sci-entific interest on humanoid robots culminating in the development of the biped robot ROT-TO (robot Otto). Fig 3.4 and Fig 3.5 illustrate the different stages of robotslab's research work. While previous works [4,5,6] had been dealing with robot construction, drive and control de-sign, present and future works are and will be focused on developing bio-inspired walking pattern [9,10].

Fig 3.4: Mile stones of robot research of the Robotslab research group: Katharina, Anton (from left)

In the following the current state of Rotto - the last and most sophisticated robot - will be described.

Mechanical construction of Rotto

The main focus of research related to the biped robot Rotto consists in developing a mobile robot able to solve the following tasks:

investigation of low energy gaits (ballistic walking is one of the possible gaits),

development of methods of force/impedance control of robot foots during con-tact with the ground,

investigation of dynamical walking and methods of robot’s body stabilization during walking.

Fig 3.5: Biped robot Rotto

3. Forschung 54

To meet above mentioned requirements legs and torso of Rotto have been constructed to provide more than 15 Degree Of Freedom (DOF) similar to what human being provides. Sug-gested construction is characterized by modular structure using linear drive systems in each joint. Bearings of the robot are fabricated from carbon material and connected to each other with optimized milled-out aluminum constructions. The aluminum-carbon construction re-duces the weight of robot and at the same time provides sufficient robustness. “Hip’s” and the “ankle’s” joints are implemented in parallel kinematic. Two linear drives actuate the cor-responding 2-DOF using connecting rods and ball joint. Synchronous and asynchronous mo-tion of the drives produces the corresponding motion relative to one or another DOF in the joint. It should be pointed out, that this construction ensures the double torque in both rota-tion axis.

Fig 3.6: Linear actuator of Rotto

The actuators of Rotto are implemented as linear drives (Fig 3.6). Brushless EC-motors drive a ball screw using belt transmission with a reduction ratio of two. The linear motion of the ball screw’s nut is realized by carbon sticks which are at the same time the direction guide. There is an incremental position sensor on the motor axis. For safety purpose, two limit switches are installed. The on-board electronics collect all the data from sensors and accom-plish current control of the EC-motor. The nominal force of this actuator is 128 N with a nom-inal speed of 0,64 m/s, but the maximal force is 400 N and the maximal velocity is 0,72 m/s.

The whole drive system including motor, gear, sensors and electronics has been designed as module and offers the following advantages:

reduced volume of actuator;

better dynamic properties;

higher power density;

better efficiency;

the EC-motor and the modular structure of drive provides better reliability as well as integrated diagnose and observation functionality.

3. Forschung 55

Modified actuators of Rotto

The developed construction of the elastic element, combined with the force sensor is shown in Fig 3.7. The idea of building an elastic drive system was taken from [7,8]. Modern composite materials allow a higher energy storage density in the elastic el-ement by smaller masses. The main operating element is a flat

coal-plastic spring 5. The deformation of the spring is measured by the Hall-sensor 4 placed in the magnetic field of the two neodymium magnets 3. The glass fibre plate 2 and the screw 1 serve to fix the actor.

The sensor system of the robot makes possible to achieve autonomous robot functions in an environment. It includes:

absolute magnetic encoder installed in each robot joint;

incremental position sensor, two current sensors and two limit switches installed in each of the actuator module;

six-component force sensor mounted in each leg’s shank;

high precision tri-axis inertial sensor installed on the robot body.

Designed foot force sensor provides measurement of forces in wider range in order to comply with the requirements on measurement and control of the support reactions during the dynamical walking. The maximal vertical force is 400N. The maximal values of tangential and lateral forces are chosen up to 300N.

Hardware and control system

The control electronics (Fig 3.8) as well as the entire control architecture and algorithms have been developed and showed satisfactory results. The control electronic consists of two boards: a small one based on netX SODIMM [2] module and a second one with power elec-tronics.

The control system with real-time decentralized data gathering and processing builds the kernel of robot system and allows developing the control algorithms with the help of hybrid simulation. The implemented control system is already at industry level and is based on typi-cal real-time communication EtherCAT. The developed hardware consists of netX communi-cation processor (Hilscher GmbH). The control signals are computed on the Host-PC each sample time using the information received from the sensors. The computed reference sig-nals of the PWM gnerator are copied to the EtherCAT packet and the EtherCAT master to initialize the telegram transfer. The data received by the EtherCAT slaves (NetX 500) are cop-ied through a DPM (Dual Port Memory) to the xPEC and then to the PWM module.

Fig 3.7: CAD Model and technical realization the elastic

3. Forschung 56

Fig 3.8: Decentralized control system

The main feature of the EtherCAT communication protocol is the exchange of the data in the loop Master-Slave-Master with one solid telegram. Therefore, sending the response in-formation by the EtherCAT slave requires preliminary preparation of the transfer buffer. To this aim a delay Tdelay = Tsample/2 between the receipt of the telegram by EtherCAT slave and the monitoring of the sensors has been realized. This has been done to minimize the time difference between monitoring of actual sensors information (ADC, ENC and etc.) and the instant of using them in control calculations (n+2 xPC Tact). Received information from sen-sors (RD) is saved to the transfer buffer of the EtherCAT slave. After that it will be send in the next closest transfer packet (Packet n+1) and will be actual on the n+2 work period.

A standard PC is used as control computer (Host PC). Therefore occures a jitter time (Tjitter) in the communication system due to large number of hardware peripheries. For the minimi-zation of the jitter time practically all hardware peripheries are tuned off in the BIOS of PC. The maximal jitter time in our communication system is less than s15 .

The developed communication system allows the use of simulation techniques. Based on SiL simulation, where the developed control system in Matlab/Simulink is able to communi-cate with the real robot, the control system can be developed and optimized using Rapid Control Prototyping.

References

[1] http://www.uni-magdeburg.de/ieat/robotslab

[2] http://www.hilscher.com Hilscher GmbH, Hattersheim, Germany

[3] http://www.ai.mit.edu/projects/leglab, MIT Leg Lab, Stand 2008

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[4] Konyev, Palis, Schmucker, Zavgorodniy, Telesh, Rusin, Rudskiy, Melnikov. Walking robot “Anton”: design, simulation, experiments. 11th Int. Conference on CLAWAR, 08-10 Sep-tember 2008, Coimbra

[5] Palis, Dzhantimirov, Schmucker, Zavgorodniy, Telesh. HIL/SIL by development of six-legged robot SLAIR 2. 10th Int. Conference on CLAWAR, 16-18 July 2007, Singapore

[6] Konyev, Palis, Schmucker, Zavgorodniy, Telesh, Melnykov, Rudskyy. Presentation of a new biped robot “ROTTO”. 12th Int. Conference on CLAWAR, 9-11 September 2009, Is-tanbul

[7] Pratt J., Williamson, Dillworth, Pratt G., Ulland, Wright. Stiffness Isn’t Everything. Pro-ceedings of the 4th International Symposium on Experimental Robotics (ISER’95, USA, California, Stanford, July 1995)

[8] Pratt J., Torres, Dilworth, Pratt, G. Virtual Actuator Control. Proceedings of the IEEE Inter-national Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS '96, Osaka, Japan, 1996)

[9] Telesh, Andriy; Palis, Frank; Rudskyy, Artem; Melnykov, Andriy; Dynnik, Taras; Konyev, Mikhailo; Schmucker, Ulrich: Energy control of periodical oscillationa of biped robot in the frontal plane, International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines; 14 (Paris) : 2011.09.06-08, S. 571-579, 2011

[10] Telesh, Andriy; Palis, Frank; Rudskyy, Artem; Melnykov, Andriy; Dynnik, Taras; Konyev, Mikhailo; Schmucker, Ulrich: Limit cycles walking of biped robot based on total energy control and virtual constraints, Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines; 14 (Paris) : 2011.09.06-08, pp. 579-58

Aktive Schwingungskompensation am Beispiel magnetisch gelagerter Maschinenrundtische

Beitrag von Dipl.-Ing. Mario Stamann, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Schallschmidt, Prof.-Dr.-Ing. Frank Palis

Einleitung

Die Grundlagenforschung im Bereich der Magnetlagertechnik kann prinzipiell als abgeschlossen betrachtet werden. Mittlerweile bieten mehrere Hersteller wie beispielsweise SKF, Levitec, EAAT Chemnitz und die MECOS Traxler AG eine solche Technik in ihrem Sortiment an. Gegenüber herkömmlichen Lagerungen bieten Magnetlager den Vorteil, dass es keinen mechanischen oder fluidischen Kontakt zwischen den beweglichen Teilen gibt und sie dadurch völlig verschleißfrei arbeiten. Außerdem ist es möglich, Lagereigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfung variabel einzustellen.

Aktuell wurde eine Methode zur Berechnung der Reglerparameter für eine vorgegebene Regelungsstruktur entwickelt, die eine optimale Störkraftausregelung bei variabler Lagersteifigkeit ermöglicht. Dadurch kann die Nachgiebigkeit des Magnetlagers durch Vorgabe eines einzigen Parameters in einem definierten Wertebereich festgelegt werden.

3. Forschung 58

Das Ziel der aktiven Schwingungskompensation ist die Verbesserung der Leistungsfähigkeit, der Qualität oder der Lebensdauer in unterschiedlichsten Prozessen und Anwendungen. Jedoch ist die Realisierung oft mit sehr hohem technischem Aufwand verbunden. In der Magnetlagertechnik sind auf Grund der technischen Realisierung bereits alle Voraussetzungen zur aktiven Schwingungskompensation gegeben. Diese Technik verfügt schon über die nötige Sensorik, Aktorik und Echtzeitverarbeitung. Eine Erweiterung der Regelalgorithmen kann bereits zur Dämpfung unerwünschter Schwingungen beitragen. Hierbei ist zwischen der Dämpfung interner Strukturschwingungen und der Unterdrückung externer Störeinkopplungen zu unterscheiden.

Regelungskonzept

Die Funktionsweise und das Verhalten des magnetisch gelagerten Maschinenrundtisches hängen im Wesentlichen vom implementierten Regelalgorithmus ab. Dieser hat die Aufgabe, das instabile nichtlineare Streckenverhalten in jedem Freiheitsgrad zu stabilisieren und ein gewünschtes, vom Anwender vorgebbares, statisches und dynamisches Positionierverhalten des Schwebekörpers zu realisieren.

Auf der Grundlage des nichtlinearen Streckenmodells kann mit Hilfe eines Linearisierungsverfahrens ein lineares Modell berechnet werden. Auf dieser Basis ist es möglich, die Methoden der linearen Regelungstechnik anzuwenden und das gewünschte Systemverhalten mittels linearem Reglerentwurf zu erzielen.

Als Reglerstruktur wird die PIP-Kaskadenstruktur verwendet, da diese Struktur eine bessere physikalische Deutung der Zustandsgrößen erlaubt, Begrenzungen physikalischer Größen ermöglicht und praxisorientierte Reglerentwurfsverfahren der Antriebstechnik angewendet werden können. Ausgehend vom linearisierten Streckenmodell in einem Arbeitspunkt wird für jeden Freiheitsgrad die in Bild 3.9 dargestellte Regelungsstruktur eingesetzt.

Die Auslegung des inneren Regelkreises erfolgt durch die Berechnung von Pqq , so dass das dynamische Verhalten des Geschwindigkeitsregelkreises nicht schneller als die Stromstellerdynamik und alle weiteren auftretenden Verzögerungen ist. Dazu zählen Totzeiten durch das Abtastsystem und zusätzliche Filter die das Messrauschen unterdrücken.

Bild 3.9: PIP-Kaskadenregelung für einen Freiheitsgrad

3. Forschung 59

Die obere Grenze wird durch die Phasenreserve festgelegt, die nicht zu klein werden darf. Ziel ist es den inneren Regelkreis mit Pqq so schnell wie möglich einzustellen ohne dabei die Stabilität zu gefährden.

1T Σ

=Pqq ki

M⇒ Pqq=

Mk iT Σ

(3.1)

Die Summenzeitkonstante T Σ bestimmt die Dynamik des inneren Regelkreises. Mit Hilfe der Regleroptimierung nach dem symmetrischen Optimum wird das Störverhalten des Gesamtsystems optimiert. Daraus lassen sich für den äußeren Lageregelkreis die Reglerparameter Pq und I q folgendermaßen berechnen:

Pq=1

2TΣund I q=

1

8TΣ2 (3.2)

Durch Festlegung der Summenzeitkonstanten T Σ kann die dynamische Steifigkeit (Störgrößenverhalten) und das Übergangsverhalten (Führungsverhalten) des magnetisch gelagerten Maschinenrundtisches in den bereits erwähnten physikalischen Grenzen vorgegeben werden. Diese variable Einstellung der Lagereigenschaften stellt einen großen Vorteil gegenüber herkömmlicher Lagerungen dar.

In Bild 3.10 links ist das Übergangsverhalten bei sprunghaften Sollwertänderungen um 10µm um den Arbeitspunkt dargestellt. Dabei ist der rote Verlauf der berechnete und der blaue Verlauf der tatsächlich gemessene Postitionswert der Anlage. Das starke Schwingen lässt sich durch schwach gedämpfte Eigenmoden des Aufbaus erklären - im Modell wird ein Starrkörpersystem vorausgesetzt. Die Regelung wurde mit T Σ= 5ms optimiert.

Bild 3.10 rechts zeigt die Reaktion auf eine sprunghafte Störkrafteinkopplung von 1000N - jeweils bei T Σ= 5ms blauer Verlauf und T Σ= 4ms roter Verlauf. Die Störkraft wird in kurzer Zeit stationär genau ausgeregelt.

Bild 3.10: Führungsverhalten +/- 10µm (links) und Störverhalten 1000N (rechts) am Rundtisch Prototyp 1 Tragregelung in z-Richtung

3. Forschung 60

Man erkennt, dass bei kleiner werdender Summenzeitkonstanten kleinere Auslenkungen bzw. eine höhere dynamische Steifigkeit erreicht wird. Die statische Nachgiebigkeit ist auf Grund der stationären Lagegenauigkeit 0. Betrachtet man die dynamische Nachgiebigkeit, so

erhält man bei T Σ= 5ms eine Nachgiebigkeit von ca. 26µmkN und bei T Σ= 4ms ca. 16

µmkN .

Diese dynamischen Nachgiebigkeitswerte sind durch den Einsatz von optimierten Störgrößenbeobachtern weiter reduzierbar.

Dämpfung interner Strukturschwingungen

Durch Messung des Führungsfrequenzganges kann das reale Systemverhalten mit dem idealen Systemverhalten verglichen werden und es können Rückschlüsse auf eventuelle Strukturschwingungen gemacht werden.

Im unteren Frequenzbereich (Bild 3.11) liegt der gemessene Frequenzgang (schwarz) dicht am ideal erwarteten Frequenzgang (rot). Oberhalb der Resonanzfrequenz gibt es jedoch starke Abweichungen, die auf Strukturschwingungen von Gehäuse und Rotor zurückzuführen sind. Mit Hilfe von Störgrößenmodellen ist es möglich eine Anpassung der Reglerstruktur vorzunehmen, um diese Schwingungen zu kompensieren. Bild 3.12 zeigt eine Variante der Schwingungskompensation mit Hilfe eines interen Störgrößenmodells.

In den geschlossenen Regelkreis wird ein Störmodell (Filter) implementiert, welches direkt aus dem Zeitsignal ein geeignetes Kompensationssignal berechnet und dem Aktor zuführt.

Bild 3.11: Idealer (rot) und realer (schwarz) Amplituden- und Phasengang des geschlossenen Regelkreises

3. Forschung 61

Bild 3.12: Prinzip des internen Störgrößenmodells (links) und Prinzip der Implementierung des Dämpfungsfilters im Kaskadenregelkreis (rechts)

Zur Berechnung des Störmodells muss eine Umrechnung des gemessenen Frequenzganges auf den offenen Regelkreis durchgeführt werden. Daraus kann dann durch Approximation der Abweichung vom idealen Verhalten des offenen Regelkreises ein entsprechendes digitales Kompensationsfilter entworfen werden. 0.05011 0.1991 0.2968 0.1969 0.049024.928 9.719 9.588 4.732 0.9344 (3.3)

Der implementierte Filter nach Bild 3.12 bewirkt eine Verformung des Frequenzganges, wobei die Stabilität des Gesamtsystems nicht gefährdet werden darf. Die Phasenreserve muss deshalb beim Entwurf im offenen Regelkreis stets berücksichtigt werden. In Bild 3.13 ist das Übergangsverhalten im Zeitbereich mit und ohne Dämpfungsfilter dargestellt. Man kann eine deutliche Verringerung der Schwingneigung erkennen, wobei das ideale Einschwingverhalten nahezu erreicht wird.

Bild 3.13: Vergleich Übergangsverhalten ohne (links) und mit (rechts) Dämpfungsfilter

3. Forschung 62

Zusammenfassung

Durch Anwendung einer geeigneten Reglerstruktur lässt sich der Parametrierungsaufwand auf die Vorgabe einer einzigen Summenzeitkonstanten in einem festgelegten Arbeitsbereich reduzieren. Die optimale Ausregelung von Störgrößen bleibt jederzeit erhalten und es lassen sich unterschiedliche Lagersteifigkeiten vom Anwender einstellen.

Interne Strukturschwingungen können durch zusätzliche Dämpfungsfilter unterdrückt werden und führen zu einer deutlichen Reduzierung der Schwingneigung in Bezug auf das ideale Starrkörpermodell. Dabei ist zu erwähnen, dass für die Erweiterung durch aktive Dämpfungsmethoden keine zusätzlichen hardwaretechnischen Komponenten nötig sind. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, der die Anwendung der Schwingungsdämpfung im Bereich magnetischer Lagerungen sehr interessant und auch realisierbar macht.

Entwurf und Untersuchung eines analytischen Modells zu Berechnung und Auslegung eines vielpoligen Transversalflussmotors

Beitrag von M. Sc. Denis Draganov (Masterarbeit von Herrn O. Arefiev)

Eine zunehmende Effizienzsteigerung der modernen Antriebstechnik wäre ohne Einsatz von Direktantrieben undenkbar. Eine umfassende Tendenz auf das Getriebe zu verzichten, stößt jedoch auf einen Bedarf an einem kompakten und drehmomentstarken Motor. Die seit Jahrzehnten bekannte Transversalflussmaschine (TFM) ist prinzipiell mit sehr hoher Polpaarzahl realisierbar, zeichnet sich durch das bestmöglichen Massen-Drehmoment-Verhältniss aus, und erfüllt somit die Anforderungen an eine Maschine für Direktantrieb. Aus der Sicht der Auslegung und technologischer Realisierung stellt eine solche Maschine jedoch eine Herausforderung dar. Eine im Vergleich zu den konventionellen Maschinen erhöhte Drehmomenten-welligkeit kann lediglich durch konstruktive Optimierung kombiniert mit einer gezielten Ansteuerung unterdrückt werden. Dies setzt ein Vorhandensein eines parametrierbaren analytischen Modells der TFM mit

hinreichender Genauigkeit voraus.

Finite-Elemente-Methode

Die Finite-Elemente-Methode für Berechnung von elektromagnetischen Felder. Die meist verbreiteten Verfahren zur Ableitung der Finite-Elemente-Gleichungen sind das Variationsverfahren und der Galerkin-Ansatz. Mit finiten Elementen kann eine sehr gute Annäherung an die gewünschte Geometrie

Bild 3.14: Feldverteilung in einem Maschinen-element

Bild 3.15: Magnetkreis einer

kommerziellen TFM

3. Forschung 63

erreicht werden. FEM ist die flexibelste Methode im Vergleich zu den anderen Verfahren, allerdings gibt sie keinen Aufschluss über Einfluss von einzelnen Parametern auf das Gesamtsystem, und daher ist für eine Auslegung einer elektrischen Maschine nur als Hilfsmittel anzusehen.

Analytische Berechnung des magnetischen Feldes

Analytische Berechnung des magnetischen Feldes würde ein vollständiges parametrierbares Modell der Maschine liefern. Allerdings ist diese Methode mit einem erheblichen Aufwand bei der Lösung von Differenzialgleichungen und bei der Interpretation der gewonnenen Ergebnisse verbunden, und ist daher lediglich für ein allgemeines Verständnis des Funktionsprinzips und eine Festlegung von Eckdaten der Maschine geeignet. Nichtlineares Verhalten des ferromagnetischen Materials kann nicht implementiert werden.

Methode der magnetischen äquivalenten Kreise (MEC)

Eine Äquivalenz der stationären elektrischen Strömungsfelder und elektromagnetischen Felder wird der MEC zunutze gemacht. Diese Methode fordert einige Kenntnisse über Felddistribution, die aus der FEM-Analyse gewonnen werden können. Sowohl FEM als auch MEC gehören zur Volumen-Diskretisierungs-Methoden. Hier ist der Fluss auf die Elemente mit konzentrierten Parametern verteilt, deren Reluktanz und/oder die magnetomotorische Kraft als Funktion der Zeit und der Rotorposition ausgedruckt wird.

Bild 3.16: Ersatzschaltbild eines Maschinenelements

Eine besondere Schwierigkeit stellt dabei die Ermittlung der äquivalenten Flusspfade für jede aktuelle Lage des Rotors. Dafür werden die mittleren Flusslinien jedes Abschnitts anhand der FEM-Modellierung festgestellt und durch die elementaren geometrischen Kurven angenähert, die in einem Zusammenhang zum Winkel des Rotors stehen. Mit den so erhaltenen Reluktanzwerten wird ein lineares Gleichungssystem aufgestellt, dessen Lösung die gesuchten Feldgrößen liefert. Trotz eine, im Vergleich zu FEM, niedrige Stufe der Diskretisierung, ergibt sich eine akzeptable Genauigkeit der berechneten Feldgrößen. Die Ermittlung der Kräfte der elektrischen Maschine erfolgt durch Ableitung der magnetischen Koenergie. Nichtlineare Materialparameter können leicht implementiert werden.

3. Forschung 64

Bild 3.17: Flussverlauf im Luftspalt der TFM als Funktion der Rotorposition

Ergebnisse

Zu Auswertung der MEC-Ergebnisse werden sie der FEM- gestützten Berechnung gegenübergestellt. Bild 3.18 und Bild 3.19 vergleichen die Magnetflussdichte und die Kraft für beide Verfahren. Die vorhandene Diskrepanz kann auf die Vernachlässigung der Streuung zurückgeführt werden.

Bild 3.18: Flussverlauf im Luftspalt der TFM als Funktion der Rotorposition

Zusammenfassung

Methode der magnetischen äquivalenten Kreise bietet eine Möglichkeit die komplexen Feldberechnungen mit einfachen Mitteln (MATLAB, Maple) und begrenzter Rechenleistung schnell und mit hinreichender Genauigkeit durchzuführen. Ein parametrierbares Modell dient zu Festlegung der wichtigsten Parametern und kann für Regelung der elektrischen Maschine im Betrieb, (z. B. Minimierung der Drehmomenten-Welligkeit), eingesetzt werden.

3. Forschung 65

Bild 3.19: MEC- und FEM-Berechnung des Kraftverlaufs

3.1.3 Promotionen

Dr.-Ing. Kostyantyn Lolenko: Model-based design of an open-loop control for switching valves in ABS braking systems

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Frank Palis, OvGU Magdeburg - Prof. Dr.-Ing. Walter Schumacher, TU Braunschweig

Verteidigt am 04.05.2011, OvGU Magdeburg

Dr.-Ing. Yuriy Tespkovskiy: Intelligente Regelung von nichtlinearen elektromechanischen Systemen

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Frank Palis, OvGU Magdeburg - Prof. Dr. sc. techn. Ulrich Schmucker, Fraunhofer IFF Magdeburg - Prof. Dr.-Ing. Viktor Kalaschnikov, Deutsche Technische Fakultät der

Nationalen Technischen Universität Donezk (Ukraine)

Verteidigt am 16.06.2011, Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung Magdeburg

Dr.-Ing. Mykhaylo Konyev: Contact Processing within Walking Robots’ Design

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Frank Palis, OvGU Magdeburg - Prof. Dr. sc. techn. Ulrich Schmucker, Fraunhofer IFF Magdeburg


3. Forschung 66

3.1.4 Veröffentlichungen

Zeitschriften- und Konferenzbeiträge

[1] L. I. Silva, P. M. de la Barrera, R. Leidhold, G. R. Bossio, C. H. De Angelo: Multi-domain model of stator core faults using Bond Graph; 2011 IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics & Drives (SDEMPED), pp.592-597, Bologna,Italien,5.-8.09.2011

[2] R. Leidhold: Autonomous position estimation for pm synchronous motors; 2011 Symposium on Sensorless Control for Electrical Drives (SLED), pp.8-12, Birmingham, UK, 1.-2.09.2011

[3] R. Leidhold: Position Sensorless Control of PM Synchronous Motors Based on Zero-Sequence Carrier Injection; IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, no.12, pp.5371-5379, 12. 2011

[4] N. Förster, S. Palis: Load stabilisation of boom cranes on maritime vessels; APM 2011, St. Petersburg, Russland

[5] S. Palis, N. Förster, F. Palis, M.Lehnert: Lastpendelwinkeldämpfung für Offshore Drehkrane; 19. Internationale Kranfachtagung 2011, Magdeburg

[6] T. Schallschmidt, S. Sokolov, F. Palis: Kombination von modell- und wissenbasierten Verfahren zur Kraftregelung beim Reibschweißen; Innovationsforum -Sensitive Fertigungstechnik- 2011, Magdeburg

[7] T. Schallschmidt, M. Stamann, F. Palis: Modellgestützte Regelung eines magnetisch gelagerten Maschinenrundtisches; SPS/IPC/DRIVES – Kongress 2011, Nürnberg

[8] T. Schallschmidt, F. Palis, M.Stamann: Control system design of a magnetically suspended Rotary Table; Korea-Germany Joint Symposium on Power Electronics 2011, München

[9] M. Stamann, F. Palis, T. Schallschmidt: Aktive Schwingungskompensation unter Berücksichtigung der Nichtlinearitäten am Beispiel magnetisch gelagerter Maschinen-rundtische ; Magdeburger Maschinenbau-Tage 2011, Magdeburg

[10] A. Telesh, F. Palis, A. Rudskyy, A. Melnykov, T. Dynnik, M. Konyev, U. Schmucker: Energy control of periodical oscillationa of biped robot in the frontal plane; In: Field Robotics . - Singapore [u.a.] : World Scientific, ISBN 981-437427-X, S. 571-579, 2011, Kongress: International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines; 14 (Paris) : 2011.09.06-08

[11] A. Telesh, F. Palis, A. Rudskyy, A. Melnykov, T. Dynnik, M. Konyev, U. Schmucker: Limit cycles walking of biped robot based on total energy control and virtual constraints In: Field Robotics . - Singapore [u.a.] : World Scientific, ISBN 981-437427-X, S. 579-586, 2011, Kongress: International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines; 14 (Paris) : 2011.09.06-08

3. Forschung 67

3.2 Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen


Das Forschungsprofil am Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen (LENA) umfasst zwei wesentliche Schwerpunkte, die ein weites Themenfeld im Bereich der elektrischen Energietechnik abdecken. Diese sind:

Planung und Betrieb des elektrischen Netzes – Smart Grids

Alternative Energiequellen und Speicher

Ausgehend von Fragestellungen im Zusammenhang mit bestehenden Strukturen klassischer Energieversorgungsnetze gelangen immer mehr moderne Technologien in den Fokus der Forschung am LENA. Dabei geht es vorranging um die optimale Integration regenerativer Energiequellen in das vorhandene Versorgungsnetz, aber auch um die Entwicklung neuer Netzstrukturen beispielsweise unter Anwendung sogenannter virtueller Kraftwerke und Smart Grids mit nachfolgender Realisierung und Validierung entsprechender Simulationsmodelle (betrifft unter anderem Lastprognosen und -modellierung).

Unmittelbar damit verbunden sind die Optimierung und Einbindung neuer Kommunikationskonzepte und Möglichkeiten der digitalen Messwerterfassung und Messdatenübertragung in allen Ebenen der Energieversorgung zum Beispiel auf Basis des Kommunikationsstandards IEC 61850. Auch die Überprüfung vorhandener Topologien im Bereich des Netzschutzes und der Netzleittechnik sind Gegenstand der Forschungstätigkeiten am Lehrstuhl.

Hinsichtlich der Methoden alternativer Energieerzeugung und der zugehörigen Netzanbindung stehen am LENA vor allem Aspekte der Windenergienutzung, der Photovoltaik und der Brennstoffzellenforschung sowie zukunftsorientierte Speichertechnologien wie zum Beispiel dynamische Speicher in Form von Elektrofahrzeugen im Mittelpunkt. Ein wichtiges Kriterium dabei ist unter anderem der Erhalt einer sehr guten Versorgungsqualität.

3. Forschung 68


Web 2 Energy

Beitrag von M. Sc. André Naumann

The electric grid need to become smart in the near future, caused by an increasing number of uncontrollable, decentralized energy generation, integration of storages and rising energy demand at the customer side. For this a standardized way of efficient communication in the smart grid must be realized, for ensuring the seamless information exchange between all participants.

The project Web2Energy realizes a prototype of such a system, where information is stored according to new standards, made for the smart grid. So customer integration, efficient de-mand side management, active distribution networks and a flexible ICT infrastructure be-come possible and is tested in a prototypical way in the project. The particular tasks in this project are:

Smart terminal development, which will be applied for power producers and the 20 kV network terminals for data exchange at the process level. This new communica-tion possibility can introduce a self-healing capability of the power grid and is be in-vestigated

Smart meter integration, which allows the customers to actively participate in the energy market and, additionally, supports the electrical load prediction

Integration of new dispersed generation units (e.g. Photovoltaic) New business models development that will support integration of new energy mar-

ket participants and support their cooperation Integration and field test of the newly developed smart components.

The concept of the project Web2Energy is based on the usage of the new communication and data management standards for Energy systems. For data communication IEC 61850 is applied and investigations are made, that show that there is still the need for an extension of the existing data models. Especially in the field of renewable energy sources some work has to be done, to realize a consistent approach of transmitting all necessary data. For the project the CIM scheme according to standards IEC 61970 and IEC 61968 is applied and necessary extensions have been developed. This allows the access to a common data base that can be used by all necessary system participants. The customer integration with the aim of demand side response relies on the common data base. Here private household customers get the possibility to shift their main consumption to periods where load on the grid is low. In Fig 3.20 those periods are indicated by red and green colours. The user gets the chance to see his demand the same day, which makes sen-sible consumption behaviour possible. Access to this user portal is realized via internet tech-nology.

3. Forschung 69

The other main functionalities are also realized, by using internet technology as far as possi-ble: An overview of the status of substations at medium voltage level is given and also the ability of switching utilities is realized in some stations. Decentralized generating units measurements and forecasts are integrated in the calculation algorithms of the virtual pow-er plant and is the basis for the determination of red and green consumption phases. An online monitoring of utility status is possible and a set point control of active and reactive power.

Fig 3.20 Architectural concept of data flow in the system

Harz.ErneuerbareEnergien-mobility: Einsatz der Elektromobilität vernetzt mit dem Reg-ModHarz-Projekt

Beitrag von Dr.-Ing. P. Komarnicki, M. Sc. A. Naumann, Dipl.-Ing. M. Stötzer, Dipl.-Ing. C. Wenge

Im Forschungsprojekt Harz.ErneuerbareEnergien-mobility, eine der sieben Modellregionen in Deutschland, die durch Bundesministerium für Umwelt und Reaktorsicherheit im Rahmen des Förderprogramms IKT für Elektromobilität gefördert wurde, hat sich das Konsortium bestehend aus 17 Partnern unter der Koordination von der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg zusammengeschlossen. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwick-lung und Erprobung von IKT-basierten Schlüsseltechnologien für eine effiziente Integration von Elektromobilität in das Smart Grid zur Stützung einer hochgradig regionalen erneuerba-ren Energieerzeugung am Beispiel der Regenerativen Modellregion Harz.

Der grundlegende technologische Ansatz im Projekt war die Kombination aus elektrischen, logistischen sowie informations- und kommunikationstechnischen (IKT) Infrastrukturen für die Integration der Elektromobilität und der erneuerbaren Energien in das elektrische Netz.

3. Forschung 70

Bild 3.21: IKT-Infrastruktur

Das entwickelte Gesamtsystem vereinigt Komponenten aus allen drei Ebenen. Den Kern bildet die Mobilitätsleitwarte, die alle Informationen zusammenführt und alle Systemkomponenten koordiniert bzw. mit Informationen versorgt.

Die im Projekt entwickelten und eingesetzten Komponenten sind:

Elektrofahrzeuge mit unterschiedlichen Batterietechnologien, Ladeleistungen und Reichwei-ten; Einige Fahrzeuge können elektrische Energie zurück ins Netz speisen und erlauben so den Einsatz als Energiespeicher im Netz.

Bild 3.22: Elektrofahrzeugflotte

Ladesäulen sowohl für das Laden zu Hause als auch an öffentlichen Standorten, ausgerüstet mit IKT zur Kommunikation mit dem Fahrzeug und der Mobilitätsleitwarte.

Bild 3.23: Ladesäulen

3. Forschung 71

Das Nutzerportal (verfügbar für alle Teilnehmer des Projektes) bzw. die Mobilitätsleitwarte kann mit einem gewöhnlichen Internet Browser verwendet werden, da auf offene Technolo-gien gesetzt wird.

Bild 3.24: Nutzerportal

IKT-Komponenten kommen im Fahrzeug und in der Ladesäule zum Einsatz. Die sogenannte CommunicationBox realisiert die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule und setzt dabei auf moderne Standards, die für Smart Grids entwickelt wurden.

Bild 3.25: IKT-Komponenten

Der Nutzer kann sich von unterwegs über den Ladezustand des Fahrzeugs, aktuelle Ladevor-gänge und die nächsten verfügbaren Ladesäulen über eine im Projekt entwickelte Applikati-on für sein Smart Phone informieren. Auch das Starten und Beenden eines Ladevorgangs ist hiermit möglich sowie die Navigation.

Bild 3.26: Mobile Endgeräte

Die Kombination aus Prognosesystemen und Echtzeitsimulationen erlaubt die Gewährleis-tung der Sicherheit des elektrischen Netzes trotz der elektrischen Last durch Elektrofahrzeu-ge. Eine Optimierungsrechnung erlaubt die optimale Ausnutzung von erneuerbaren Energien wie Windkraft und Photovoltaik zum Laden des Fahrzeugs.

3. Forschung 72

Bild 3.27: Gesamtstruktur

Feldtest und Ergebnisse

In den Feldtest von Harz.EE-mobility sind ca. 20 reale und 1000 virtuelle Elektrofahrzeuge eingebunden. Die über 15 000 real gefahrenen Kilometer und mehr als 3000 „getankten“ Kilowattstunden elektrischer Energie haben die Praxistauglichkeit der durch das Konsortium erarbeiteten Technologien voll bestätigt.

Harz.EE-mobility – Geschäftsmodelle


Im Rahmen des Verbundvorhabens Harz.EE-mobility wurde die intelligente Einbindung von Elektrofahrzeugen in das elektrische Netz zur Gewährleistung einer hohen Mobilitätsverfüg-barkeit und der optimalen Integration erneuerbarer Energien untersucht und in einem Feld-test erprobt. Dabei wurde der ganzheitliche Ansatz einer Verknüpfung der unterschiedlichen Layer, elektrisches Netz, IKT-Infrastruktur und logistischer Ebene gewählt.

Ein wesentlicher Grund für die noch geringe Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen sind neben der Verfügbarkeit die hohen Investitionskosten im Vergleich zum Nutzen durch geringere Betriebskosten. Stellt man bei einer Vollkostenrechnung aller Ausgaben gegenüber und rechnet diese auf die gefahrenen Kilometer um, zeigt sich jedoch, dass die Kosten für ein Elektrofahrzeug (€0,50 bis €0,90/km) heute durchschnittlich mehr als das Doppelte eines vergleichbaren Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor (€0,24/km) sind. Es sind daher Ge-schäftsmodelle notwendig, die über die ausschließliche Nutzung der Elektrofahrzeuge zur Fortbewegung hinausgehen.

Auf der Grundlage der Erkenntnisse aus dem Harz.EE-mobility Projekt wurde am LENA eine simulationstechnische Untersuchung von Elektrofahrzeugen zum Einsatz als mobiler Spei-cher durchgeführt. Für die Untersuchung der technischen und wirtschaftlichen Gesichts-punkte ist zunächst ein E-Kfz-Modell in einer Netzsimulationssoftware entwickelt worden,

3. Forschung 73

was sowohl eine Verschiebung des Ladevorgangs als auch zur Spannungsstützung dienen kann.

Für die Netzsimulation wurde das CIGRE-Benchmark-Netz verwendet. Dabei wurden unter-schiedliche Szenarien bis hin zu einer 100%igen Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen und gleichzeitigem Anteil erneuerbarer Energien betrachtet. Die Ergebnisse (Bild 3.28) zei-gen, dass der Einsatz der bidirektionalen Ladegeräte zu einer deutlichen Verbesserung der Spannungsqualität beitragen können.

Bild 3.28: Spannungsstützung durch Variation des Blindleistungsanteils beim Laden der Elektrofahrzeuge an einem Mittelspannungsnetzknoten (CIGRE-Benchmark-Netz)

Bild 3.29: Akteure und Anwendungsfälle für das Geschäftsmodell „Mobiler Speicher“

In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde untersucht, welche zusätzlichen Einnahmen über die Aggregation einer Vielzahl an Elektrofahrzeugen am Minutenreservemarkt möglich sind. Zunächst sind für das Geschäftsmodell die wesentlichen Anwendungsfälle (Use Cases) und Akteure (Bild 3.29) beschrieben wurden. Als zusätzlicher Marktakteur tritt der Lade-punktbetreiber auf, der gleichzeitig als Aggregator, die angeschlossenen Elektrofahrzeuge gebündelt als steuerbare Last am Minutenreservemarkt anbieten kann. Dazu war die An-nahme notwendig, dass die kleinste Einheit der minimalen Ladeleistung (i.d.R. 3,7kW) ent-spricht.

3. Forschung 74

Wenn die Batterien der Elektrofahrzeugen nach dem beschriebenen Geschäftsmodell als Speicher eingesetzt werden, ergibt sich unter Berücksichtigung der Marktpreise und Anfor-derungen im Jahr 2011 eine notwendige minimale Nutzungsdauer von zwei bis vier Mona-ten, um die Differenz zu konventionellen Kraftfahrzeugen auszugleichen. Aufgrund der Mo-bilitätsprofile sind die E-Fahrzeuge jedoch nicht zu jeder Zeit am Netz verfügbar, daher sind längere Nutzungsdauern am Markt zum Ausgleich von Systemungleichgewichten in der Pra-xis erforderlich.

Bild 3.30: Einsatz von Elektrofahrzeug am Minutenreservemarkt, Szenario 1,5 Mio. Elektrofahrzeuge in der Regelzone der 50 Hertz Transmission GmbH

0

5000

10000

15000

20000

00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00

Am

ount

of

EV

s

Time [h]

Amount of electric vehicles able to act on the reserve energy market, 10.07.2011

Charging Power 11kW Charging Power 3.7kW

0

100

200

300

400

500

600

00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00

Ener

gy

[MW

h]

Time [h]

Provision of reserve energy by electric vehicles, 10.07.2011

Shifted energy by EVs Required reserve energy

Sufficientreserve power

No orunsufficientreserve power available

3. Forschung 75

DKE-Projekt: Netzsicherheit und Netzzuverlässigkeit von Smart Grids in Krisen- und Aus-nahmesituationen

Beitrag von Dipl.-Ing. Ines Hauer

Auf die elektrische Energieversorgung der Zukunft kommen neue Anforderungen wie die Integration von dezentralen und erneuerbaren Energien zu. Bei dem gleichzeitigem Ausstieg aus der Atomenergie, steht das elektrische Versorgungsnetz bereits heute vor Herausforde-rungen, die langfristig nur mittels neuer Konzepte, die international unter dem Begriff „Smart Grid“ diskutiert werden, gelöst werden können. Ein Smart Grid Konzept erfordert eine verstärkte Zusammenarbeit zwischen den Branchen der Informations- und Telekommu-nikationstechnik und der Energietechnik, sodass zukünftig eine flexible und intelligente Energieversorgung entstehen kann. In der deutschen Normungsroadmap E-Energy/Smart Grid wurden Empfehlungen zur Normung und Standardisierung eines Smart Grid von Exper-ten aus allen Stakeholdergruppen erarbeitet. Grundsätzlich wurden vier Sicherheitsbereiche identifiziert: Informationssicherheit, Datenschutz, Sicherheit von Produkten und Systemen, Kritische Infrastruktur (Critical Infrastructure). Während die ersten beiden Bereiche stark in der Diskussion der Fachöffentlichkeit verankert sind, sind für die beiden folgenden Bereiche kaum Aktivitäten festzustellen. Ziel dieses Projektes ist es daher zu untersuchen, wie die Netzsicherheit und Netzzuverlässigkeit des elektrischen Versorgungsnetzes, als kritische Inf-rastruktur, in einem Smart Grid beeinflusst werden. Aufbauend auf einer Analyse der aktuel-len Versorgungssicherheit mit den beeinflussenden Parametern und Maßnahmen soll ein Konzept zur Sicherung der Versorgung im Smart Grid durch angepasste Strategien erarbeitet werden.

Bild 3.31: Systemdienstleistungen in elektrischen Netzen: Heute und in der Zukunft, Quelle: B.M. Buchholz: „Netzintegration verteilter und erneuerbarer Erzeuger im Kontext der „Smart Grid“ – Strategie der EU“, VWEW Fachtagung Virtuelle Kraftwerke, 2006

Traditionell In Kürze Zukunft

FP, FS,FM,LA, ST, SQ,

VS,VI,BV, BA


VS,VI,BV, BA


VS,VI,BV, BA

STBV, BA

FMFM,LA,LA, ST, SQSQ,

BV, BA

FP, FS, FP, FS, FM,LA, ST, SQ,

VS, VI,VS, VI,BV, BA

Frequenzhaltung: - FP - Primärregelung (<30s)- FS –Sekundärregelung (< 5 Min.)- FM - Minutenreserve (7-15 Min.)

Leistungsaustausch: - LA – FahrplanmanagementSpannungshaltung: - ST – Trafostufenregelung

- SQ - BlindleistungsregelungVersorgungswiederaufbau: - VS - Schwarzstartfähigkeit

- VI - NetzinselbetriebsfähigkeitBetriebsführung: - BV – Sicherung Versorgungsqualität

- BA – Anlagenüberwachung,- steuerung

Übertragung

Verteilung

Traditionell In Kürze Zukunft


VS,VI,BV, BA


VS,VI,BV, BA


VS,VI,BV, BA

STBV, BA

FMFM,LA,LA, ST, SQSQ,

BV, BA

FP, FS, FP, FS, FM,LA, ST, SQ,

VS, VI,VS, VI,BV, BA

Frequenzhaltung: - FP - Primärregelung (<30s)- FS –Sekundärregelung (< 5 Min.)- FM - Minutenreserve (7-15 Min.)

Leistungsaustausch: - LA – FahrplanmanagementSpannungshaltung: - ST – Trafostufenregelung

- SQ - BlindleistungsregelungVersorgungswiederaufbau: - VS - Schwarzstartfähigkeit

- VI - NetzinselbetriebsfähigkeitBetriebsführung: - BV – Sicherung Versorgungsqualität

- BA – Anlagenüberwachung,- steuerung

Übertragung

Verteilung

3. Forschung 76

Dabei steht im Fokus, wie die Versorgungssicherheit im Smart Grid erhalten werden kann z.B. durch Anpassung der Anschlussbedingungen der Erneuerbaren Energien hinsichtlich der Bereitstellung von Systemdienstleistungen und einem angepassten Datenaustausch in Nor-mal – und Krisensituationen zwischen den beteiligten Akteuren.

Eine Realisierung der neuen intelligenten Energieversorgung in der Breite wird nur als mög-lich angesehen, wenn auch die sicherheitstechnischen Anforderungen entsprechend frühzei-tig definiert werden. Aus diesem Grund wird abschließend ein konkreter Normungsbedarf in den heute relevanten Normen dieser Bereiche erarbeitet werden.

Kompatibilitätsuntersuchungen von Elektrofahrzeugen an unterschiedlicher Ladeinfrastuktur

Beitrag von Dipl.-Ing. Christoph Wenige Dipl.-Ing. Martin Stötzer Dr.-Ing. Thoralf Winkler

Mit der zunehmenden Zahl von Elektrofahrzeugen steigt der Bedarf an einer flächendecken-den Ladeinfrastruktur, um das Zwischen- oder Nachladen der Fahrzeuge zu ermöglichen und damit eine höhere Qualität und Zuverlässigkeit der Mobilität mit Elektrofahrzeugen zu errei-chen. Bisher gibt es zwar einen Standard zum Anschließen von Elektrofahrzeugen an eine Ladestation, jedoch fehlt noch die Standardisierung der Informations- und Kommunikation-(IKT-)Komponenten. Die meisten vorhandenen Fahrzeuge sind Umbauten, bei denen kon-ventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren zu reinen Elektrofahrzeugen umgerüstet werden. Das Konzept und die Qualität der Fahrzeugspezifikation unterscheiden sich hier je nach Umrüster deutlich. Es gibt beispielsweise Unterschiede beim Ladevorgang. Das Fahr-zeug kann mit einem einphasigen oder einem dreiphasigen Ladegerät ausgestattet sein, wel-che sich in ihrer Netzverträglichkeit, z.B. der Höhe und Verteilung der Stromharmonischen deutlich unterscheiden können. Ein weiteres Problem sind beispielsweise die Erdleiterströ-me, die beim Zu- oder Abschalten des Elektrofahrzeuges an die Ladestation zum Ansprechen des vorgeschriebenen Fehlerstromschutzschalters (FI) führen können.

Für entsprechende Kompatibilitätsuntersuchungen (Leistungsaufnahme bzw. -abgabe) wur-den Messungen (Bild 3.32) an unterschiedlichen Elektrofahrzeugen durchgeführt, um ihren Einfluss auf die Ladeinfrastruktur zu untersuchen. Dies wurde im Rahmen des Modellprojek-tes HarzEEmobility (IKT für Elektromobilität) durchgeführt.

Das im Beispiel verwendete Elektrofahrzeug ist mit zwei Ladegeräten ausgestattet, einem einphasigen und einem dreiphasigen. Das einphasige Ladegerät kann wahlweise über einen Schuko-Stecker oder über das dreiphasige Ladekabel für Elektrofahrzeuge (IEC 61851-1) ge-nutzt werden; das dreiphasige nur über den Ladestecker für Elektrofahrzeuge. Bei den Mes-sungen an diesem Fahrzeug konnte ein Systemwirkungsgrad für einen Entlade-Ladezyklus von 100% auf ca. 65% der Batteriekapazität von Ƞ = 0,69 ermittelt werden.

3. Forschung 77

Bild 3.32: Allgemeiner Aufbau der Messungen

Bei der Auswertung (Bild 3.33) der Harmonischen unter Berücksichtigung der unterschiedli-chen Möglichkeiten zur Ladung des Elektrofahrzeugs traten deutliche Unterschiede auf. Es konnte festgestellt werden, dass bis zur 13. Stromoberwelle die Grenzwerte unabhängig vom Ladeverfahren eingehalten wurden. Das Versuchsfahrzeug wies eine deutliche Über-schreitung des Grenzwertes für Stromoberwellen (IEC EN 61000-3-2) bei der 25. Oberwelle auf. Die stark ausgeprägte 25. Stromoberwelle wird vom Netzfilter verursacht, der in dem Strompfand des dreiphasigen Anschlusses verbaut ist.

Bild 3.33: Gemessene Harmonische im Vergleich mit den Grenzwerten aus DIN EN 61000-3-2

Bei den Ergebnissen der Messungen des Fehlerstromschutzleiters, siehe Bild 3.34, handelt es sich um ein Fahrzeug bei dem es, während des Ladevorgangs und beim Anschließen und Trennen des Fahrzeuges von der Ladeinfrastruktur, zum Auslösen des vorgeschriebenen FI-Schutzschalters in der Ladesäule kam. In Bild 3.34 sind die Stromauslösecharakteristik eines FI-Schutzschalters Typ B in Abhängigkeit der Frequenz, die nach DIN EN 61008 zulässigen Grenzwerte und die während des Ladevorganges bei Variation von Ladeanschluss und Lade-gerät gemessenen Schutzleiterströme aufgetragen.

3. Forschung 78

Bild 3.34: Gemessene Ableitströme im Vergleich mit der Auslösecharakteristik eines FI-Schutzschalters und den Maximalwerten aus IEC 61008

Es ist zu erkennen, dass während des Ladens bei keiner Messung die Grenzwerte überschrit-ten werden. Jedoch konnten beim Zuschalten oder Trennen des Elektrofahrzeuges und beim Start und Stopp des Ladevorganges beim dreiphasigen Ladegerät Stromimpulse von 100 - 200 µs mit 30 - 50 A auf dem Schutzleiter gemessen werden. Der Einsatz eines kurzzeitver-zögerten FI-Schutzschalters verhinderte das Auslösen des FI-Schutzschalters durch die kurz-zeitigen Stromspitzen und den dadurch bedingten Ausfall der Ladeinfrastruktur.

Weiterführend sind Untersuchungen hinsichtlich der Auswirkungen einer Elektrofahrzeug-flotte auf die Spannungsqualität und der dadurch bedingte Einfluss auf Schutz, Betriebsmit-tel und andere Verbraucher interessant.

Offshore Power System Operation Planning

Beitrag von Dr.-Ing. Krzysztof Rudion

The European Network Transmission System Operators for Electricity (ENTSO-E) expect about 80 GW offshore wind power only in the central North Seas until 2030. Since many of these wind farms being built far from shore - at distances longer than 150 km, the applica-tion of voltage source converter (VSC) based DC transmission systems is assumed. Thus, sev-eral different configuration concepts and grid layouts have recently been developed, mostly based on the establishment of a multi-terminal DC offshore power system (OPS). Such a plat-form-to-platform interconnected solution is assumed to improve the overall energy security of the offshore wind farms, and, at the same time, opens new possibilities for the arrange-ment of transnational energy trading and comprehensive energy markets. However, the planning and realization of such a multi-terminal VSC HVDC offshore power system is chal-lenging due to lack of experience worldwide, and thus requires exhaustive mathematical modeling and “a priori” analysis of various phenomena.

3. Forschung 79

This especially concerns the physical realization of the reference schedules provided by the energy market. Generally, the realization of market schedules can be divided into two sub-tasks of which the first one concerns the stationary analysis, which focuses on the proper settings of the VSC converter operating modes and reference values, while the second sub-task deals with the dynamic issues that can be evoked during the changes of system operat-ing parameters, e.g. reversal of power flow, variation of DC-slack position or disturbances. Such transitional operations can threaten system security, even without failures of system components, if they are not carried out properly, and in some situations, can lead to exceed-ing of system parameters, e.g. DC voltage levels or loading of system components. Thus, es-pecially in case of spatially distributed systems, a significant aspect is a supervisory man-agement and control scheme of the overall OPS.

A possible solution to the operational challenges in OPS is the application of an observer-based management system (OBMS), which has the task of finding an optimal state of the overall offshore power system based on available input information, see Fig 3.35a. Using the OBMS, the OPS state can be estimated concerning receiving arbitrary input parameters ob-tained from a market simulation tool as well as for the specified boundary conditions can be estimated, since the topology and the parameters (branch resistances) of the OPS are known. Thus, it is possible to search for the most advantageous setting pattern within the OPS in order to fulfill the system optimization goals as well as to guarantee the most reliable operation by keeping the changes of the operating mode at a minimal level during steady-state conditions. The current system state and required outputs in the subsequent time pe-riod according to wind production forecasts and energy market signals, as well as boundary conditions for allowable steady-state voltage levels and loading of system components on- and offshore should be provided as input to the OBMS for optimization.

a) b)

Fig 3.35: Analyzed offshore power system: a) structure of the OBMS; b) developed benchmark test system

3. Forschung 80

The basis optimization task of the OBMS can be defined as a minimization problem given as follows. Minimize:

T

t

NC

ciNCSPIciRSciRF

NC

ciSPIciRSciRF

NC

ciSPIciRSciRF

OBMS

tPtPabs

tPtPabs

tPtPabs

TF0

1

12

11

)()(

)()(

)()(

min)(

while satisfying:

ciMAXciciMIN UUU

ciMAXci II

for NCSPI ,...,1

Where: t - time point index for period 0,...,T; ci - converter index of all considered convert-ers so that ci1,…,NC; NC - number of the last converter within the offshore power system coupling the DC to the AC power system; PRFci - reference active power from market model at converter ci; PRSci - active power at converter ci from physical power flow at time t; SPI - slack position index defining converter operating as DC slack; UMINci - lower limit for the volt-age at converter ci; UMAXci - upper limit for the voltage at converter ci; Uci - voltage level at converter ci resulting from physical power flow; Ici - current of the converter ci resulting from the physical power flow; IMAXci - the upper limit for the current of converter ci.

In order to show the functionality of the OBMS an exemplary scenario has been investigated using the benchmark test system from Fig 3.35b. For this test system a set of reference val-ues for the power transfers and wind generation has been generated by a market model. According to the optimization algorithm the slack positions have been determined as shown in Fig 3.37 for the considered period of time. It can be noticed that during the analyzed day it is necessary to change the slack position several times in order to guarantee the optimal system operation with regard to minimal schedule deviation and minimal power losses. Fur-thermore, Fig 3.36 shows the resulting voltage profile across the considered test OPS de-pending on the position of the slack node without (left) and with (right) optimization of slack voltage level.

Fig 3.36: Voltage profile in the DC grid without (left) and with (right) optimization of DC slack voltage

3. Forschung 81

Fig 3.37: Optimization results – optimal slack position for time period of one day

In the example without slack voltage optimization the slack voltage equals always 1 p.u. It is obvious that there are significant violations of the allowable voltage range for several differ-ent slack positions. Thus, the voltage adaptation is a necessary part of the optimization pro-cess that makes it possible to find an adequate value of the slack voltage independent of the slack position.

Spannungsqualitätsmessungen zur Überprüfung von Oberschwingungsrichtwerten beim Anschluss von Windparks an das Höchstspannungsnetz

Beitrag von Dipl.-Ing. Steffen Rabe

Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes zur Spannungsqualität (Power Quality) in elektri-schen Netzen wurden Messungen relevanter Netzparameter am Anschlusspunkt von Wind-parks vorgenommen, die aufgrund ihrer Gesamterzeugungsleistung im Megawattbereich unmittelbar in das Übertragungsnetz einspeisen und somit auch Oberschwingungsemissio-nen direkt der Höchstspannungsebene zuführen. Ziel der Messungen am Netzanschlusspunkt (PCC) eines Beispielwindparks (Bild 3.38) ist es, Erkenntnisse über den tatsächlichen Grad der Oberschwingungsbelastung von Spannung und Strom im Übertragungsnetz zu erhalten. Der wichtigste Aspekt dabei war es, die vorhande-nen Normen und Richtlinien, die bei der Durchführung und Auswertung derartiger Messun-gen im Hinblick auf Anforderungen an Messgeräte, geeignete Messverfahren und Auswerte-algorithmen Anwendung finden, zu überprüfen. Es hat sich hierbei gezeigt, dass im Bezug auf die Höchstspannungsebene (EHV) einige Defizite in diesem Bereich vorhanden sind, da der-zeit nicht alle Einzelheiten, wie im Fall von Nieder- bzw. Mittelspannungsnetzen, für die Be-wertung der Spannungsqualität definiert sind.

Bild 3.38: PQ-Messung auf Seite des Netzbetreibers

3. Forschung 82

Bei der Messwerterfassung wurden neben weiteren ausgewählten Kenngrößen vor allem die Oberschwingungswerte bis zur 50.Ordnung als aggregierte 10-Minuten-Mittelwerte über einen Zeitraum von einer Woche registriert und ausgewertet. Wichtige Kriterien, wie die Genauigkeit der eingesetzten Messwandler (gemäß IEC 61000-4-7, IEC 61400-21) oder die Einhaltung einer maximalen Abweichung der Netzfrequenz vom Nennwert während des Messprozesses (gemäß IEC 61400-21) wurden berücksichtigt.

Die Windverhältnisse während der Messwoche waren durchschnittlich schwach mit einer Anlagenausnutzung von insgesamt 13 Volllaststunden. Jedoch gab es aufgrund der starken Fluktuation der Windgeschwindigkeiten große Unterschiede bei den Momentanwerten der Einspeisung mit Stromgradienten bis zu 100A/h. Bild 3.39 (links) zeigt die aufgezeichneten Werte der Wirkleistung in Phase L1. Die Windparktopologie ist hierbei bezüglich der einge-setzten Anlagentypen nicht homogen.

Beim Oberschwingungsspektrum der Spannung zeigten sich erwartungsgemäß verstärkt die Harmonischen h, die bei dreiphasigen, gesteuerten Brückenschaltungen mit sechs Kommu-tierungen während einer Netzperiode typischerweise auftreten (h=n*p±1 mit n=1, 2, 3, … und p=6). Es sind für die Spannung keine Überschreitungen der normativen Richtwerte zu verzeichnen.

Der Verlauf der harmonischen Gesamtverzerrung der Spannung (Bild 3.39, rechts) liegt mit einem durchschnittlichen Wert von 0,8% deutlich unter dem im Standard IEC/TR 61000-3-6 angestrebten Richtwert von 3% für Höchstspannungsnetze.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Analyse der Messergebnisse ist die spektrale Darstel-lung der auf den Nennstrom In bezogenen, maximalen Oberschwingungsströme Ih jeder ein-zelnen Harmonischen der Ordnung h in Abhängigkeit der erreichten Leistungsklassifizierung (Leistungsbin), um erkennen zu können, inwiefern die Oberschwingungserzeugung im Zu-sammenhang mit der Leistungsauslastung der Gesamtheit aller betrachteten Windenergie-anlagen steht (Bild 3.40). Weiterhin wurden im Rahmen der Messauswertungen Aspekte des Leistungseintrags und Richtungen einzelner Harmonischer untersucht.

Bild 3.39: Zeitverläufe der Wirkleistung und harmonischen Gesamtverzerrung (THD)

3. Forschung 83

Bild 3.40: Leistungsabhängigkeit der Oberschwingungsströme

Sicherheit des Betriebs eines Sea-Power Systems (Windparks) durch Erhöhung der Be-obachtbarkeit und intelligente Betriebsführung -SeaSecure-

Beitrag von Dipl.-Ing. Steffen Rabe

Der Betrieb von Offshore-Windenergiesystemen insbesondere bei Ausführung mit mehreren Anschlusspunkten an das Energiesystem auf dem Festland (Multiterminal-HVDC) stellt an die Netzführung besondere Anforderungen. Die Gleichstromtechnologien (HVDC) bieten ein reiches Potential für die Steuerung von Lastflüssen und die optimale Nutzung der auf See produzierten erneuerbaren Energie. Jedoch gibt es derzeit nur begrenzt praktische Erfahrung mit derartigen Systemen.

Ziel dieses neuen Forschungsvorhabens, welches einen Zeitraum von drei Jahren umfasst, ist es, systemübergreifende intelligente Betriebsführungsstrategien für das Offshore-System zu entwickeln, die einerseits eine optimale Nutzung der Offshore-Windenergie ermöglichen und andererseits die hohe vorhandene Systemsicherheit und -stabilität des gesamten Euro-päischen Netzes weiterhin gewährleisten (Bild 3.41).

In einem interdisziplinären Forschungsverbund zwischen dem Lehrstuhl für Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen (LENA), dem Fraunhofer IFF und der Siemens AG sol-len Schwerpunkte wie Beobachtbarkeit, Netzsicherheit, Steuerbarkeit und Regelungsstrate-gien für Energiesysteme mit einem hohen Anteil an Offshore-Windenergie untersucht wer-den.

3. Forschung 84

Bild 3.41: Konzept zur optimalen Einspeisung von Offshore-Windenergie in Transportnetze mittels Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Innerhalb des SeaSecure-Projektes liegt der Schwerpunkt für den LENA unter anderem im Bereich der Konzeptionierung und des Aufbaus einer HGÜ-Strecke (VSC-Technologie) im La-bormaßstab für die modellhafte Nachbildung eines Offshore-Systems (im kW-Bereich). Vor-ab wurden hierfür bereits umfangreiche Simulationen zum Betriebsverhalten von span-nungszwischenkreisbasierten HGÜ-Systemen für verschiedene repräsentative Testszenarien wie zum Beispiel Kurzschlüsse oder schnelle Änderungen der Leistungsrichtungen durchge-führt und analysiert.

Besondere Herausforderungen innerhalb dieses Projektes liegen in erster Linie im Erreichen eines Betriebsverhaltens des skalierten Systems, welches einer realen VSC-basierten HGÜ-Anlage weitestgehend nahe kommt. Darüber hinaus sind hier die Realisierung einer optima-len Regelung des Gesamtsystems und die Ansteuerung der Stromrichter zu nennen. Unter anderem auch zu diesem Zweck gilt es ein zuverlässiges Messsystem mit Auswahl der richti-gen Messpunkte und Messgrößen in das HGÜ-Modell zu implementieren. Die Nachbildung der beiden vorhandenen AC-Netze für das 2-Terminal-Hardwaremodell erfolgt mittels Präzi-sionsleistungsverstärkern, die durch Arbiträrgeneratoren angesteuert werden. Die vorgese-hene bipolare DC-Verbindung soll mit einer Betriebsspannung von ±300V operieren.

3. Forschung 85

Wind Farm Operation Planning

Beitrag von M. Sc. Natalia Moskalenko

During the building of a wind farm its layout can be very well optimized with almost no shadowing effects occurring for the most frequent wind directions. But, due to the climate change the wind rose for some certain terrain gradually changes, thus the original optimal wind farm structure does not always correspond to the main direction assumed in the pre-sent planning process and may no longer be 100% effective, because of the large influence of wake effect. In such a situation it is necessary to have some operational optimization ap-proach for individual wind turbines within a wind farm to reduce wake effect and increase overall farm energy yield. The maximization of energy yield could be reached through the adjustment of the yaw or pitch angle of individual wind turbines within the farm. The princi-ple of pitch angle adjustment is presented here. The method suggests the change of the pitch angle at the individual wind turbines from the optimal value, which usually corre-sponds to the maximal power coefficient cp and maximal utilization of kinetic energy from the wind flow, and also assumes a minimization of the wake effect within the farm due to the thrust coefficient cT dependence on the pitch angle β. The goal is to find the optimal pitch angle pattern for different wind speeds affecting the power and thrust coefficients in order to maximize the overall energy yield of the farm. Here is presented the calculation scenario for the exemplary type of 2 wind turbines The calculation tool is based on the Jen-sen’s wake model, where the wake flow is controlled by the entrainment constant k, the value of which differs depending on terrain.

Fig 3.42: cp curves for β [-6°:1°:32°] (“*” = cpmax at 1°; “o” = cpmax at β=0°; dashed = for negative β) [Source: ECN].

3. Forschung 86

Fig 3.43: cT curves for β [-6°:1°:32°] (“*” = cTmax at 1°; “o” = cTmax at β=0°; dashed = for negative β) [Source: ECN].

The investigation is made for the chosen test system with 2 wind turbines (DOWEC 6 MW, rotor diameter DT=129 m, rated speed 12.1 m/s [Source: ECN], x=5DT , Fig 3.44), which work in a partial-load mode (wind speed of wind flow is smaller than rated speed of wind tur-bines). In this case is typical that cp for each individual WT has the maximal possible value corresponding to the particular wind conditions at each WT in order to extract maximal en-ergy from each unit. This is usually realized by setting the wind turbine blades to a specific pitch angle, which in most WTs equals β=0°. Thus, the wind flow coming to the first wind turbine (WT1) corresponds to power Pwind. WT1 works over this energy, and as a result, the power of the original wind flow decreases. The wind flow that comes to WT2 has less power – P2. WT2 also works over this flow, which further loses energy and becomes even weaker with a power P3. It can be noticed that the second and third WTs are in the wake effect zone

and, therefore, do not work optimally. In order to improve this situation the pitch angle β1 of WT1 could be slightly increased so that WT1 extracts less energy and, therefore, the ener-gy of the wind flow behind WT1 would increase. Then, WT2 gets a stronger wind flow and can extract more energy. Therefore, the goal is to analyze if there is any pitch angle pattern that causes an increase of the total wind farm power production, through the power de-crease of chosen individual units.

ratedpkairk CVAP _3,02

1 (3.4)

2

111)(xkR

RcVxV

T

TTwindwake

;

2

1,22 11wind

wakeTTwindT V

VVV

(3.5)

Here is shown the calculation results for input wind speed V0 = 12m/s, (V0 < Vrated partial-load mode) and, in order to generate the maximal possible energy for this wind speed cpmax = 0,478 at β=0° is needed (Fig 3.42). In order to receive more energy yield from WT2 the pitch angle of WT1 is changed β=0°...11°. As a result cp for WT1 changes depending on

3. Forschung 87

the pitch angle (tip speed ratio λ = const). The tip speed ratio λ has the same value for cp and cT, and depends only on the wind speed and rotor speed but does not depend directly on β (Fig 3.42, Fig 3.43). When λ is known it is necessary to check the rotor angular speed ω for

this value of λ: R

V011

The value of angular speed should be within the allowable range max1min with

ratedrated 2.0maxmin/ and 844.11rated [rpm] for the chosen wind turbine type, which

means that λ has a reasonable value. If the angular rotor speed is larger than the maximal allowable value (or smaller than minimal allowable value), some assumption needs to be made that would limit the rotor angular speed to the maximal (or minimal) value. Then, it is necessary to calculate the optimal value λ for the defined ω. Further, for the found value λ one looks for the corresponding cT at the certain β (and for a new value of cp for the new value λ) using the diagrams in Fig 3.42 and Fig 3.43. The wake wind speed and input wind speed for the next WT can be obtained with Eq. (3.5), where βT1T2 is the shadow coefficient. Fig. 4 shows the calculation results of the power output depending on the β of WT1. As can be seen, the power of WT1 decreases as the pitch angle increases, but at the same time the power of WT2 increases. When the pitch angle of WT1 is equal to β1=3°, the energy yield from the wind farm is maximal and is 5,85% higher than in the basis scenario (pitch angle of both WTs equal zero).

Fig 3.44: Structure of the test wind farm. Two first wind turbines are considered.

Fig 3.45: Output power depending on the β adjustment (β1=0…12°, β2=0°) for 2 WTs, where P1, P2 - power of WT1, WT2, P_sum – power of the farm.

Untersuchung des Langzeit-Leistungsverhalten von CIS-Solarmodulen


Seit vielen Jahren werden am Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergie-quellen drei Photovoltaikanlagen verschiedener Modultechnologien hinsichtlich ihres Leis-tungsverhaltens unter realen Umweltbedingungen und bei langen Nutzungszeiten unter-sucht. Neben Solarmodulen aus mono- und polykristallinem Silizium werden seit 2004 auch Dünnschichtmodule aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS-) genauer analysiert (Bild 3.46).

3. Forschung 88

Bild 3.46: CIS-Solaranlage auf dem Dach des Institutsgebäudes

Anhand der seit der Inbetriebnahme kontinuierlich gemessenen und gespeicherten Daten kann die Leistungsfähigkeit der Solaranlage in Abhängigkeit von ihrer Nutzungszeit sehr genau bewertet werden (Bild 3.47).

Bild 3.47: Normierte AC-Leistung (15-min-MW, 04/2004-10/2011) des untersuchten CIS-PV-Systems während der 8-jährigen Betriebszeit unter vergleichbaren Bedingungen (Modultemperatur Tm und Einstrahlung Gm)

Die Untersuchungen zeigen in den ersten 7 Betriebsjahren ein sehr stabiles Leistungsverhal-ten der Anlage. Unter gleichen Bedingungen (gleiche Modultemperatur und Einstrahlung) lieferten die Module gleich bleibende Ausgangsleistungen. Im achten Nutzungsjahr ist je-doch bereits ein leichter Leistungsabfall gegenüber den Vorjahren zu beobachten. Ob sich diese Tendenz fortsetzt, wird weiter untersucht.

3. Forschung 89

Konzept und Aufbau eines Parallelrechensystems zur Realisierung von schnellen Netzsi-cherheitsrechnungen für den Onlineeinsatz

Beitrag von Dipl.-Ing. Paul A. Bernstein

Im Rahmen des Projektes SeaSecure wurde ein Clusterrechner entworfen und im Universi-tätsrechenzentrum aufgebaut. Auf dem System werden verschiedene Szenarien zur Stabilität Elektrischer Netze im Umfeld von Offshore-Windenergie-Anlagen durchgeführt. Die zeitop-timierten Berechnungen der Systemstabilität werden während des laufenden Betriebes durchgeführt und sollen dem Leitwartenpersonal helfen, Entscheidungen in zeitkritischen Situationen zu treffen. Auf den Ergebnissen der Untersuchung soll ebenfalls die situations-abhängige Parametrierung des Wide-Area-Regelungssystems basieren. So können beispiels-weise Leistungspendelungen, die mit den Stabilitätssimulationen festgestellt wurden, mit Hilfe der Offshore-Windenergie aktiv gedämpft werden.

Der Clusterrechner besteht aus mehreren Prozessoren, was durch Parallelisierung zu einer erheblichen Rechenleistungssteigerung führt. Dies ermöglicht eine schnelle Berechnung und Auswertung der repräsentativen Szenarien, die in Abhängigkeit von der Größe und Struktur des betrachteten Systems bis mehrere hundert umfassen können. Durch eine schnelle Un-tersuchung mehrerer Szenarien können einerseits die Schwachstellen im System „a priori“ herausgefunden werden, anderseits kann durch die Simulation aus den entsprechenden Ge-genmaßnahmen eine optimale Lösung sondiert und dem Systemoperator als Entscheidungs-hilfe zur Verfügung gestellt werden. Um den Clusterrechner optimal auslasten zu können, wird in enger Kooperation mit der Siemens AG eine Steuerungsapplikation entwickelt, die die Verteilung der Prozesse auf die einzelnen Prozessoren kontrolliert und den bidirektiona-len Datenfluss überwacht.

Bild 3.48: Clusterrechner im URZ Clusterraum

3. Forschung 90

Green-FC – Nutzung biogener Energieträger für Brennstoffzellen

Beitrag von Dipl.-Ing. Paul A. Bernstein

Wegen ihrer hohen Wirkungsgrade bei der Energiewandlung (neben weiteren Vorteilen wie Geräuscharmut, geringe Emissionen, ideale Voraussetzungen für Kraft-Wärme-Kopplung und effizientem Teillastbetrieb) besitzen Brennstoffzellen ein großes Zukunftspotenzial. Kombi-niert mit der energetischen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen als Brennstoff ist es möglich, ein System mit einer hocheffizienten und nachhaltigen Elektroenergieerzeugung auf der Basis erneuerbarer Energiequellen zu schaffen. Zusammen mit den Verbundpartnern wird im Projekt Green-FC ein entsprechendes Konzept einer Biogas-Brennstoffzellenanlage erarbeitet.

Erst mit der Kombination aus Sensoren und Aktoren ist eine Regelung, und damit eine Au-tomatisierung der Prozessanlage möglich. Die Auswahl und Definierung der Sensoren und Aktoren für den Betrieb der Teilanlage Brennstoffzelle wurde für eine optimierte Betriebs-führung angepasst, so wurden z.B. messtechnische Totzeiten durch günstige Positionierung der Druck- und Temperatursensoren verringert. Es wurde ein MSR-Schema aufgestellt, in der die Aktorik und Sensorik mit den jeweiligen Mess- und Steuerbereichen und den entspre-chenden Schnittstellen analysiert und verglichen werden können. Daraus wurden die Anfor-derungen sowohl an die Steuerung als auch an die notwendigen Koppelbaugruppen abgelei-tet.

Für die betrachtete Anlage bietet sich ein System auf Basis von dezentralen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen für die Teilanlagen an. Da es sich prinzipiell um entkoppelte Netzwerke handelt, können systemübergreifende Signalrückführungen größtenteils vermieden werden. Der modulare Aufbau ermöglicht den Projektpartnern ihre Komponenten im Einzelnen zu entwickeln und zu testen, Steueralgorithmen können ohne Gesamtanlage realisiert werden. Um eine optimierte Betriebsführung mit bedarfsgerechter Anpassung der Gesamtanlage zu ermöglichen ist dennoch eine technische Kontrolle der Komponenten durch eine übergeord-nete Instanz zu empfehlen (siehe Bild 3.49). Erforderliche Messgrößen sowie Status- und Fehlermeldungen werden in der Zentralsteuerung zusammengeführt und durch eine inte-grierte Datenverarbeitungseinheit gespeichert außerdem bietet die Zentralsteuerung eine Schnittstelle für den Benutzereingriff an.

3. Forschung 91

Bild 3.49: Dezentrales Steuerungskonzept für die Green-FC-Anlage

Langzeituntersuchungen von PEM Brennstoffzellen

Beitrag von Dipl.-Ing. Maik Heuer

Im Rahmen der Bewilligung von Forschungsgroßgeräten der DFG sind Langzeituntersuchun-gen mit einer Messdauer von 400 Stunden an einem PEM Brennstoffzellensystem mit einem am Lehrstuhl entwickelten und integrierten Diagnosegerätes zur Bestimmung der örtlichen Stromverteilung durchgeführt worden.

Die Stromdichteverteilung weist zu Beginn der Messung ein homogenes Profil auf, welches mit zunehmender Stromdichte (Bild 3.50) ansteigt. Insbesondere im Eingangsbereich der Brennstoffzelle treten die geringsten Werte auf, dessen Ursache primär in der geringeren Diffusionszeit der Gase zur Reaktionszone der Brennstoffzelle liegt und mit sinkender Strö-mungsgeschwindigkeit zum Ausgang zu einer verbesserten Reaktion für die restlichen Berei-che führt. Nach einer Betriebsdauer von 100 Stunden sind deutliche Verschiebungen in allen fünf Arbeitspunkten der Stromdichte (Bild 3.51) zu erkennen. Insbesondere am Gaseintritt sinkt die lokale Stromproduktion um bis zu 20%, die durch die restlichen Membranbereiche auszugleichen ist, damit die sichere Versorgung der Last gewährleistet bleibt. Die in einem elektrischen Äquivalentschaltbild beschreibbaren Widerstandsanteile von Brennstoffzellen (Membranwiderstand, Doppelschichtkapazitäten, Elektrodenwiderstände) müssen infolge der geringeren Stromproduktion am Eingang angestiegen sein. Der Hauptgrund liegt in der zu geringen Befeuchtung der Gase, was in einem erhöhten Membranwiderstand und Verlus-ten der Reaktionsprozesse resultiert.

In weiterführenden Messungen soll das langfristige Verhalten der inhomogenen Stromdich-teverteilung der untersuchten Brennstoffzelle Hinweise auf Zonen einer beschleunigten Al-terung geben, aus denen angepasste Betriebsstrategien entwickelt werden.

3. Forschung 92

Bild 3.50: Stromdichteentwicklung bei Lasterhöhung zu Beginn der 100 h Messung

Bild 3.51: Stromdichteentwicklung bei Lastreduzierung nach 100 Betriebsstunden

Dimensioning of the peripheral components for a Fuel Cell based Auxiliary Power Unit in Vehicle Electrical System (COMO A3)

Beitrag von Dr.-Ing. Mathias Käbisch

The technology of automobiles is changing. In the near future, smart systems for more secu-rity, efficiency and comfort will increase the electrification of a car. In general, 90% of new innovations in cars will be controlled by electrical and electronic systems. More electrical energy supplied by the vehicle electrical system and a higher voltage level is needed for such systems. One possibility here is to use an additional energy converter and selective electrical energy storages for the higher energy demand. A fuel cell system for the additional supply and a super capacitor can be used in this case.

The PEM-FC belongs to the group of low temperature fuel cells and seems to be a good solu-tion for autonomous application. The operating temperature of the used systems is in the range of 60-80°C. Furthermore, atmospheric oxygen and reformats can be used as reactants.

Two test benches for the determination of the peripheral power of an autonomous fuel cell system up to 5 kW were available. The first unit is an autonomous fuel cell system with five cells and provides 350 Watt at nominal operating point. The second system is a stationary 5 kW fuel cell with 69 cells in serial connection. The main part of the two considered fuel cell systems is a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell stack with an active area of 200 cm² and a current density of 0.5 A/cm² at the nominal operating point. The measured and simulation data of the u-p-j-curve is shown in Fig 3.52and Fig 3.53.

0

100

200

300

400

500

600

700St

rom

dich

te j

in [m

A/cm

²]

Eingang Ausgang 0

100

200

300

400

500

600

700

Stro

mdi

chte

j in

[mA/

cm²]

Eingang Ausgang

3. Forschung 93

Fig 3.52: Comparison of the u-j-character-istic between measurement and simulation

Fig 3.53: Comparison of the p-j-character-istic between measurement and simulation

The PEM-FC system is characterized by three main material cycles, two for the air and hy-drogen supply and one for the heat dissipation. Electric actuators are necessary to realize these cycles.

To scale of the peripheral power of systems up to 5 kW with measurements and data sheets, the following assumptions were made:

• The active area A of the fuel cell is constant with A=200cm².

• The increase of the stack power is given by the increase of the cell numbers.

• The described peripheral structure remains constant (type of humidification, number and type of sensors).

The data of the different components were implemented into a model that allows determin-ing the peripheral demand of the deterministic systems. The structure of the model is shown schematically in Fig 3.54. The necessary number of cells n, with constant active area A of the membrane is determined by the required stack power PStack. Then, the reactants demand of the system is determined. Taking into account the moisture balance and power balance the necessary flow rates are calculated for the maximum in the nominal operating point. It is assumed that the smallest possible components will be used for the dimension of the pe-riphery for a given system.

outH

inH

m

m

,2

,2

outair

inair

m

m

,

,

air

2H

CoolingQ

inairV ,

CoolingV

totPeripheryP ,

StackP

inCa ,outAn,outCa,

inAn,

outAnV ,

Fig 3.54: Calculation model for the peripheral power

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.540

45

50

55

60

65

70

current density j [A/cm²]

USt

ack [

V]

0 20 40 60 80 100current I [A]

measurementsimulation

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

1000

2000

3000

4000

5000


P stac

k [W

]

0 20 40 60 80 100current I [A]

measurementsimulation

3. Forschung 94

For the three circuits (air circulation, hydrogen cycle and cool-ing cycle) approximations were found that reflect their power consumption dependent on the stack size. This can be used for the analysis of the peripheral consumption in various fuel cell systems at the nomi-nal operating point. The power consumption of the individual systems is plotted in Fig 3.55 as a function of the provided power of the stack. The air compressor in the air circuit has the major part of the peripheral power consumption. The basis for this view is an air stoichiome-try of 2.5. By adjusting the air stoichiometry, the power consumption can be reduced. Fig 3.56 presents the dependence of the total power consumption of the periphery of the set air stoichiometry.

The design of the peripheral components for a particular fuel cell system is always on the demand in the nominal operating point. If the system is at partial load, the power consump-tion of the periphery reduces because the pumps run at lower speeds. To analyze the pe-ripheral power in partial load, a 0.3 kW autonomous fuel cell system was used. For the fol-lowing representations an air stoichiometry λ = 2, 5 was set. The power consumption of the peripheral components is shown in Fig 3.57 as a function of the operating point of the 0.3 kW unit. Fig 3.58 shows what percent of the generated stack power in the operating point is used for the supply of the periphery. If the stack is operated below 5 A (at the start), the stack power is insufficient to supply the periphery. From 40 A, the 20% mark is exceeded and at 80 A the system achieves 13% and remains constant. For this reason, it is useful to oper-ate this fuel cell system just above 0.2 A/cm2, except for the start-up and shut-down pro-cesses.

Fig 3.55: Power consumption of the differ-ent circuits at nominal operation

Fig 3.56: Presentation of the peripheral power consumption dependent on the stack power

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

PStack [W]

P Perip

hery

[W]

air compressorhydrogen circuitcooling circuit

3. Forschung 95

Fig 3.57: Power consumption of the 0.3 kW unit over the load range

Fig 3.58: Percentage of the peripheral power consumption dependent on the operation point of the 0.3 kW system

Netzwagen- Elektrofahrzeuge als Energiespeicher für das Elektrizitätsnetz

Beitrag von Dipl.-Ing. Maik Heuer

Im Rahmen des Verbundprojektes mit der Fa. Krebs & Aulich GmbH und dem Fraunhofer Institut IFF ist ein neuartiges Antriebs- und Energiespeichersystem für elektrische Straßenfahrzeuge, das sich als verteilter Speicher in intelligente Elektrizitätsnetze integrieren lässt, entwickelt worden. Das Projekt NEWAG, dessen Idee aus den langjährigen Erfahrungen der Projektpartner im Land Sachsen-Anhalt entstand, ergänzt das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologien geförderte Projekt E-Energy „Regenerative Modellregion Harz“.

Im Projekt NEWAG wurde eine effiziente elektrische Antriebseinheit mit ausgewählten Energiespeichern für ein umgerüstetes Fahrzeug konzipiert und an einem Labormuster die Funktionsfähigkeit von Leistungselektronik, Kommunikation und EMV erfolgreich nachgewiesen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Rückspeisung der Fahrzeugbatterie in das Elektrizitätsnetz unter technischen Aspekten untersucht worden. Dieser innovative Ansatz der doppelten Nutzung der Fahrzeugbatterie kann zur Zwischenspeicherung von regenerativer Energie genutzt werden und damit den Anteil der verwertbaren regenerativen Stromproduktion erhöhen. Neben den leistungselektronischen Betrachtungen im Fahrzeug ist die Netzkopplung durch eine konzipierte Elektrotankstelle hergestellt worden. Diese erfasst die Netzrückwirkungen angeschlossener Elektrofahrzeuge und ermöglicht die Messdatenerfassung für den bidirektionalen Betrieb.

Die praktischen Erfahrungen im Einsatz zeigten, dass die nutzbare Energiemenge der Antriebsbatterie für die Netzrückspeisung wesentlich durch die Umgebungstemperatur bestimmt wird und in das Energiemanagement zu berücksichtigen ist, damit die

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

5

10

15

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[W]

hydrogen circuitcooling circuitair supplyoverall peripheral power consumption

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

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y) [

%]

0 20 40 60 80 100

current [A]

3. Forschung 96

prognostizierte zur Verfügung stehende Energiemenge bestimmt werden kann. In Bild 3.59 ist die gemittelte Zellspannung beim Entladen/Rückspeisen der Fahrzeugbatterie für eine Entladeleistung Pdischarge von durchschnittlich 200 W pro Zelle (Gesamtleistung von 10 kW) für unterschiedliche Umgebungstemperaturen von -10°C bis +35°C dargestellt. Die entnommene Energie aus der Fahrzeugbatterie steigt mit zunehmender Umgebungstemperatur um bis zu 20%. Die Ursache liegt in den reduzierten ohmschen Zellserienwiderständen, die mit steigender Temperatur sinken. Die maximal zulässige Akkumulatortemperatur ist auf 60°C begrenzt und wurde durch die Integration mehrerer Temperatursensoren messtechnisch erfasst sowie aktiv begrenzt (aktive Lüftung), damit der Einfluss von Lebensdauer minimierenden Alterungsmechanismen gering bleibt.

Bild 3.59: Zellenspannungsverläufe Ucell (t) beim Entladen mit Ientlade = -53 A zwischen -10°C und

+35°C Umgebungstemperatur von Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge

Das Projekt „RegModHarz – Regenerative Modellregion Harz“

Beitrag von Dipl.-Ing. Christian Röhrig

Im dritten Projektjahr wurden 4 Themenbereiche bearbeitet. Im Mittelpunkt stand dabei das nordwestliche von E.ON Avacon AG bzw. HSN GmbH betriebene Netzgebiet im Landkreis Harz, welches in Hinblick auf Freileitungsmonitoring (FLM) untersucht wurde. Der Fokus lag hierbei auf der Potentialanalyse des 110 kV -Verteilungsnetzes, welches durch den kontinu-ierlichen Ausbau erneuerbarer Erzeugungsanlagen steigende Belastungsgrade erfährt. Der Betrieb von elektrischen Netzen mit Freileitungsmonitoring ermöglicht im Vergleich mit der konservativen statischen Belastbarkeit von Leiterseilen eine witterungsabhängige Belastung der entsprechenden Leitung. In der relevanten, aktuell gültigen Norm DIN EN 50182 ist ein hohes Maß an Belastungsreserven zu Grunde gelegt worden. Mit Hilfe eines in vorangegan-genen Untersuchungen unter Anwendung der Simulationsoftware PSSTMSINCAL errichteten Netzmodells, wurde in diversen FLM-Simulationsszenarien die Belastbarkeit der Leitungen ermittelt. Besonders Freileitungsverbindungen zu gekoppelten Windparks haben aufgrund des Windeinflusses während der höchsten elektrischen Belastung und dem damit verbunde-nen, verstärkten Wärmeabtransport aus dem Leiterseil ein hohes Potential hinsichtlich der Verwendung des FLM. Das Gefüge des Hochspannungsnetzes der Region wurde als komple-xes Gesamtsystem betrachtet und simuliert, in dem die Witterungseinflüsse an allen 110 kV-

3. Forschung 97

Leitungen Berücksichtigung fanden. Von Interesse waren in verschiedenen Untersuchungs-szenarien für 2008 und 2020, die sich vom Installationsgrad regenerativer Erzeugung unter-scheiden, neben den Erzeugern auch die veränderten Lasten, die von demografischen Ent-wicklungsfaktoren beeinflusst werden. Um Rückschlüsse auf die Erfüllung der Spannungs-qualitätsindizes zu treffen, wurden die Netzknoten auf die individuellen Spannungslagen hin untersucht. Für die Einschätzung der zukünftigen Belastbarkeitsgrenzen einzelner Leitungen erfolgte eine Sensitivitätsanalyse, in der die schrittweise steigende Erzeugungsleistung mit ihrem Einfluss auf das Netz analysiert wurde. Die Untersuchung mündete in einer Empfeh-lung an den Netzbetreiber, hinsichtlich potentieller FLM-Installationsmöglichkeiten im be-trachteten Netzgebiet.

In einer weiteren Untersuchung am gleichen Netzmodell ist der Einfluss des Ausbaus regene-rativer Erzeugungsanlagen auf die Versorgungssicherheit ermittelt worden. Im betrachteten Netz wurden sämtliche Betriebsmittel mit Belastungs- und Ausfalleigenschaften versehen. Weiterhin sind die Betriebsmittel mit Netzschutzparametern ausgestattet worden. Anhand der definierten Simulationsszenarien konnte der Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Mittel- und Hochspannungsnetzes ermittelt werden. Die Ausfallzeiten wurden in Anlehnung an die Ausfallstatistik des VDE für Deutschland evaluiert, bezüglich der Daten vom FNN und der Bundesnetzagentur.

Im Hinblick auf die Elektromobilität stehen die elektrischen Netze vor der Aufgabe, zusätzlich einen Teil der Energien zu führen, welche derzeit durch fossile Energieträger für die Mobili-tät in Form von Kraftstoffen bereitgestellt werden. Damit ergeben sich Veränderungen im Hinblick auf die Auslastung der Netze. Im Rahmen des Projektes RegModHarz wurde in den Leitszenarien ein Durchdringungsgrad für Elektromobilität definiert. Die Ladung der resultie-renden Menge an Elektrofahrzeugen muss vom elektrischen Netz realisiert werden. Dafür wurden je nach territorialen Bedingungen, wie Demografie und genereller Besiedlung Lade-profile in Abhängigkeit von der potentiellen Wegstrecke und Wochentag zu Grunde gelegt. Von wissenschaftlichem Interesse war hierbei die zusätzliche Belastung der Betriebsmittel, wie Transformatoren, Leitungen und Kabel sowie der Einfluss auf die Spannungslage an allen beteiligten Knoten des Netzes. Für das Jahr 2020 wurden ca. 2.800 Elektrofahrzeuge im Landkreis Harz prognostiziert. Der hier entstehende Einfluss auf die Spannungslage des schwächsten Netzknotens bewegt sich aufgrund der geringen Fahrzeugdichte bei unter ei-nem Prozent.

Zur Beobachtbarkeit des Hochspannungsnetzes wurden im Netz der E.ON Avacon AG in Ko-operation mit dem Fraunhofer IFF die Installation der ersten 6 Phasor Measurement Unit (PMU) vorgenommen. Die zuvor im Labor vorinstallierten und parametrierten Einzelkompo-nenten eines jeweiligen Messschrankes wurden an 2 Umspannwerken innerhalb von insge-samt 3 Tagen durch ein 4-köpfiges Team positioniert und in Betrieb genommen. Hier erfolg-te die Anbindung an das Datennetz zur Aufnahme des Messbetriebes und des Sendens der Messdaten an einen zentralen Server.

3. Forschung 98

Bild 3.60: Installation der ersten PMU im Verteilnetz des Harzes

Im Rahmen des W2E-Symposiums wurde das Projekt durch ein Poster „Unterstützung der Beobachtbarkeit in Verteilnetzen mittels synchronisierten Messungen“ einem breiteren Pub-likum vorgestellt. Weitere Informationen sind unter nachfolgender Adresse zugänglich: http://www.regmodharz.de

Netzintegration des Offshore-Windparks Alpha Ventus - Projekt: Research at Alpha Ventus (RAVE)

Bericht von M. Sc. Hui Guo

Nach der Prognose von ENTSO-E werden Offshore-Windparks mit insgesamt ca. 80GW instal-lierte Leistung in der Nordsee aufgebaut und ins elektrische Netz integriert. Um den weite-ren Ausbau der Offshore Windenergie in Deutschland zu realisieren, ist die Entwicklung von Betriebsstrategien und Verfahren eine der bedeutendsten Herausforderungen zur Integrati-on der Offshore Windenergie in das deutsche Übertragungsnetz. Das übergeordnete Ziel des Forschungsprojekts "Netzintegration von Offshore Windparks" ist die Gewinnung von Er-kenntnissen zur Integration großer Offshore-Windparks in die elektrische Energieversorgung und damit die Steigerung des energiewirtschaftlichen Nutzens der Windenergie. Dabei sollen die erforderlichen Betriebsführungsstrategien entwickelt, analysiert, implementiert werden.

In diesem Forschungsprojekt beschäftigt sich LENA mit der Entwicklung und Verifizierung eines Simulationsmodells für Offshore-Windparks und der Analyse der Betriebsführungsstra-tegie mithilfe der Software PSS®NETOMAC. In diesem Jahr wurden die folgenden Projektauf-gaben abgeschlossen: Charakterisierung der Regeleigenschaften der Windenergieanlagen (WEA) Erstellung von Simulationsmodellen für die Windparkkomponenten, wie z.B. WEA,

Transformatoren, Seekabel, Kompensationseinrichtungen. Das Bild 3.61 zeigt den Auf-bau des WEA-Modells.

Implementierung des Offshore-Windparks in die Software PSS®NETOMAC Definition der Szenarien für die Simulation und eine erste Analyse der Betriebsfüh-

rungsstrategien

3. Forschung 99

Zu den weiteren Schritten gehören die Definition und Entwicklung einer Schnittstelle zwi-schen dem Windparkmodell und WCMS (Windpark Cluster Management System). Diesbe-züglich wurde ein Konzept sowie der Ablauf für eine gekoppelte Simulation entwickelt. Mit einer gekoppelten Simulation, die durch das Windparkmodell in PSS®NETOMAC und das WCMS ermöglicht wird, können die generierten Betriebsführungsstrategien detailliert simu-liert werden. Dadurch kann der Einfluss sowie die Interaktion zwischen einem Windpark und dem WCMS analysiert werden. Bild 3.62 zeigt die Struktur und den Datenablaufplan sowie die Kopplung über die entwickelte Schnittstelle zwischen Windparkmodell und WCMS.

Bild 3.61: Darstellung des WEA-Modelles

T (s)

U, P, Q, cosφ(p.u.)

T (s)

V (m/s)

P*, Q*(p.u.)

Bild 3.62: Struktur und Datenablaufplan der Kopplung zwischen WCMS (IWES) und Windparkmodell in PSS®NETOMAC (Universität Magdeburg)

Die Schnittstelle dient zum Datenaustausch zwischen dem WCMS und dem Windparkmodell. Zu den auszutauschenden Daten gehören die Wirkleistung P, die Blindleistung Q, Netzfre-quenz f, und Knotenspannung U am Netzanschlusspunkt. Diese Parameter bzw. Daten sowie ihrer Format wurden spezifiziert. Um die Datensicherheit bei der Kommunikation zwischen den beiden Systemen zu gewährleisten, wird eine SSH (Secure Shell) Verbindung über das Internet hergestellt.

3. Forschung 100

Nachwuchsgruppe Netzwerke elektrochemischer Wandler in der Energieversorgung (NEWE)

Bericht von Dr.-Ing. Krzysztof Rudion Dr.-Ing. Pio Lombardi

Die NEWE-Nachwuchsgruppe ist eine gemeinsame Forschergruppe der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, dem Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Syste-me und dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und Fabrikautomatisierung, die sich mit einem breiten Spektrum von Optimierungs-, Betriebsführung- und Integrationsaspekten er-neuerbarer Energien beschäftigt. Dabei liegt der Fokus auf elektrochemischen Wandlern (Brennstoffzellen). Am Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen werden zwei Teilprojekte bearbeitet, die sich zum einen mit der Optimierung einer virtuellen Kraftwerksstruktur und zum anderen mit der Beobachtbarkeit eines Smart Distribution Sys-tems beschäftigen.

Beobachtbarkeit eines Smart Distribution Systems Im Rahmen dieses Teilprojektes wurde untersucht, inwieweit der Einsatz moderner Messge-räte, wie Phasor Measurement Units (PMUs), zum Zustandsabschätzungsverfahren (engl. State Estimation) und somit zur Vermeidung kritischer Netzzustände in elektrischen Vertei-lungsnetzen mit einem hohen Anteil regenerativer Energiequellen beitragen kann. Darüber hinaus wurde die grundlegende Theorie der Beobachtbarkeit eines Energiesystems vorge-stellt sowie das konventionelle Verfahren der Zustandsabschätzung erläutert, Bild 3.63. Im weiteren Verlauf des Projektes wurden unter anderem die aus dem Gesichtspunkt des Be-triebes des elektrischen Netzes relevanten Aspekte analysiert, die mit der Unterstützung und Gewährleistung des optimalen Betriebes von nicht autonomen, marktgeführten (EEX), virtu-ellen Kraftwerke verbunden sind. Die Erweiterungen des State-Estimation-Algorithmus um zeitsynchronisierte Messungen wurden analysiert und kommentiert.

Bild 3.63: Zustandsabschätzung mit konventionellen und PMU-Messungen

3. Forschung 101

Die Ergebnisse der Untersuchung haben gezeigt, dass die Verwendung der PMU-Messungen, die als synchronisiert bezeichnet werden können und dazu geeignet sind, zu einem linearen State Estimation Modell erweitert zu werden, einige Vorteile vorweisen. Die Genauigkeit der State Estimation kann verbessert werden. Zugleich ist es möglich, die Anzahl der für den Ab-schätzungsprozess notwendigen Messungen zu verringern. Weitere Vorteile leiten sich aus der linearen Methode ab und tragen zur Effizienz der Berechnungen bei, solange das lineare Modell in einer konstant gehaltenen Netzstruktur verwendet wird.

Multikriterielle Optimierung einer VK-Struktur

Im Rahmen dieses Teilprojektes wurde eine autonome virtuelle Kraftwerksstruktur mit einer hohen Durchdringung erneuerbarer Energie analysiert. Ziele des Teilprojektes waren zum einen die Modellierung des VKs und zum anderen eine optimale Schätzung der Speicherka-pazität durch eine Multi-Kriterien-Analyse. Das VK besteht aus drei Erzeugungsanlagen (BHKW, Windpark und PV) und zwei Kunden (eine Stadt und ein Industriegebiet). Es wurde angenommen, dass die Kunden des Industriegebiets aktive Lasten sind, die durch ein Ener-giemanagementsystem kontrolliert werden. Drei Technologien wurden bezüglich des Ener-giespeichers berücksichtigt: diabatische Druckluftspeicher, elektrische Fahrzeuge, die ver-bunden mit dem elektrischen Netz (V2G) verbunden sind, und eine Batteriewechselstation. Als Untersuchungsmethode wird eine Multi-Kriterien-Analyse genutzt. Drei Hauptkriterien wurden dabei berücksichtigt: Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Umweltbewusstsein. In Bild 3.64 (links) ist das Testsystem für eine Fallstudie dargestellt, bei der die Elektrofahrzeu-ge als Speicher berücksichtigt sind. In dieser Fallstudie wurde die optimale Anzahl der E-Kfz (optimale Speicherkapazität) geschätzt. Abhängig von dem genutzten Gewichtsfaktor drei optimale Lösungen gefunden: 1000, 1600 bzw. 2000 E-Kfz. Die resultierenden Erzeugungs- und Speicherkosten sind jedoch relativ hoch, was durch eine niedrige Verfügbarkeit des Speichers von E-Kfz für die Netzdienstleistungen verursacht wird. Die Untersuchung hat ge-zeigt, dass die Batteriewechselstation-Technologie die niedrigsten Speicherungskosten hat. Die Sensitivitätsanalyse im Fall der Batteriewechselstation (Bild 3.64 rechts) zeigt, dass eine optimale Speicherungskapazität für das untersuchte Testsystem 200 MWh beträgt.

Bild 3.64: Struktur des Testsystems (links) und Ergebnis

3. Forschung 102

Modellprojekt: Magdeburg energieeffiziente Stadt – MD-E4 Maßnahme B2 (Lastmanagement)

Beitrag von Dr.-Ing. Günter Heideck

Im Rahmen des von BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) geförderten Projektes hat die Stadt Magdeburg mit ihrem Konzept neben vier weiteren Teilnehmern den Wettbewerb gewonnen und erhält rund 1ooo € jährlich (max. 5 Jahre) für die Umsetzung der Maßnahmen. Der Gegenstand der Fördermaßnahme wird wie folgt beschrieben: „Mit dem Wettbewerb will das BMBF systemorientierte Aspekte aufgreifen. Es geht um die Erforschung ganzer Energie- bzw. Versorgungssysteme. Es sollen neuartige Konzepte für eine effizientere Energienutzung in Städten entwickelt, modellhaft umgesetzt und verbreitet werden.“

An diesem Projekt MDe4 ist der Lehrstuhl LENA in der Maßnahme B2: „Unterstützung der Netzqualität durch automatisierte Verteilstationen und Lastmanagement“ (kurz Lastmanagement) beteiligt. Die Partner in der Maßnahme sind:

• Lehrstuhl Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen (LENA) • Ifak e.V. • SWM Netze Magdeburg

Ziel und Motivation in der Maßnahme sind:

• Verbesserung der Stabilität der elektrischen Verteilungsnetze unter Einbeziehung re-generativ erzeugter Elektroenergie und Speicher

• Erhöhung der Energieeffizienz -> CO2-Einsparung • Steigerung der Aufnahmefähigkeit für Erneuerbare Energien

Als Mittel werden das Monitoring und die gezielte Beeinflussung von Erzeugung und Last durch Automatisierung der Verteilstationen gesehen. Dabei werden Punkte mit hohem Anteil an erneuerbar erzeugter Elektroenergie unter Einbeziehung möglicher Speicher besonders berücksichtigt. Zunächst ist eine Analyse des vorhandenen Netzes vorgesehen. Nach einer Auswahl von relevanten Knoten erfolgen eine simulative Betrachtung und später eine Realisierung, um einen entsprechenden Nachweis für die Effektivitätssteigerung der Maßnahmen zu erhalten. Die Bearbeitung wird in fünf Phasen durchgeführt:

1. Analyse der Anforderungen und Potentiale

2. Entwicklung von Konzepten und Modellen

3. Umsetzung des Anwendungsbeispiels

4. Übertragung auf weitere Anwendungsbeispiele

5. Auswertung und zukünftige Perspektiven

3. Forschung 103

Bild 3.65: Verteilnetz mit kooperierenden Netzzellen (Quelle: ifak)

Aus der Literatur sind schon Zustandsbeschreibungen von Netzknoten bekannt. Allerdings werden meist Mittelspannungen betrachtet. Auch spielt die Speicherproblematik, wenn überhaupt, eine untergeordnete Rolle.

Die automatisierungstechnischen Strukturen sollen einen verteilten Charakter haben, weil auch die Topologie der neuen Strukturen derartig aufgestellt ist. Als steuerbare Lasten sind auch mögliche Speicher, wie z.B. Akkus von E-Fahrzeugen, einzubeziehen um einen Ausgleich von Angebot und Nachfrage durch den Einsatz von Speichern zu erzielen.

Im Antrag ist es so formuliert: „Für die Cluster aus gesteuerten Erzeugern und Verbrauchern soll jeweils ein Automatisierungskonzept erarbeitet werden, das in einem begrenzten Rahmen eine Basisqualität der Netzwerkkenngrößen aufrecht erhalten kann. …..“(Quelle: Antrag zum Projekt MD-E4)

Dies alles wird mit dem Hintergrund betrachtet werden, dass der Anteil an erneuerbar gewonnener Elektroenergie zunehmen und einen beachtlichen Anteil haben wird. Zusätzlich werden entsprechende Speicher ihren Beitrag zu einer kontinuierlichen Versorgung leisten und sie sind ebenfalls in den Konzepten zu verankern.

Bei den gesamten Betrachtungen ist eine unnötige CO2-Belastung zu berücksichtigen, wobei sogar ein Rückgang der Belastung wünschenswert ist. Dies orientiert sich an den Zielen der Bundesregierung.

Ladestationen für Elektrofahrzeuge im öffentlichen Bereich – Anforderungen

Beitrag von M.Sc. Bartlomiej Arendarski Dipl.-Ing. Christoph Wenige Dr.-Ing. Przemyslaw Komarnicki

Zur Gewährleistung der Ladung von Elektrofahrzeugen (E-Kfz) und somit deren Mobilität ist eine interoperable und flächendeckende Ladeinfrastruktur notwendig. Ladestationen laden nicht nur Traktionsbatterien der Elektroautos auf, wie etwa durch Anschluss an eine einfache Steckdose, sie fungieren inzwischen auch als eine Schnittstelle zwischen Auto und

3. Forschung 104

elektrische Netz, bei der auch Identifikations- (IEC 61851), Kommunikations- und Abrechnungsprozesse stattfinden. Zur Realisierung einer intelligenten Netzintegration von Elektrofahrzeugen und zur Anwendung von gesteuerten oder geregelten Ladevorgängen ist ein zuverlässiger Informationsaustausch, gemäß des geplanten Standards IEC15118, zwischen Ladestation und E-Kfz erforderlich. Aufgrund der Vielzahl von Funktionen einer Ladestation und der komplexen Konstruktion sind die Kosten für die Installation dementsprechend hoch. Deshalb werden derart aufwendige Ladestationen überwiegend im öffentlichen Bereich zum Einsatz kommen, wo sie einer größeren Anzahl an Nutzern zur Verfügung stehen. Dort müssen sie viele Anforderungen genügen, aus Sicht der Benutzer - Nutzerfreundlichkeit, aus Netzsicht - EMV und Power Quality, Beständigkeit gegen klimatische Einflüsse und Vandalismus. Weitere Vorteile einer Ladestation bestehen durch das Designkonzept, dass unter andere, eine nutzerfreundliche Bedienung beinhaltet sowie die Möglichkeit für Werbezwecke vorsieht.

Öffentliche Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge, wie in Bild 3.66 dargestellt, unterliegen technischen Anforderungen hinsichtlich ihrer elektrischen Sicherheit, zudem müssen die Bedienvorgänge so realisiert werden, sodass jederzeit die Funktionsfähigkeit gewährleistet bzw. im Fehlerfall wiederhergestellt werden kann. Deshalb muss die Konstruktion und Umsetzung einer Ladestation im öffentlichen Bereich relevanten Normen und Sicherheitsvorschriften erfüllen.

Bild 3.66: a) Frontansicht der realisierten Ladesäule; b) allgemeines Blockschaltbild der

Funktionsstruktur

3. Forschung 105

3.2.3 Promotionen

Dr.-Ing. Marcin Gurbiel: Definition and Testing of a Digital Interface of a Power Sustation

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg - Prof. Dr.-Ing. J. Stenzel, Technische Universität Darmstadt

Verteidigt am 22.02.2011

Bild 3.67: Gratulation vor Gebäude 09

Power network operation is becoming increasingly complex due to the increasing contribution of new renewable energy sources to the power grid, the change of traditional top-down energy flow to a bidirectional flow caused by more dispersed generation, and due to the liberalization of the energy market. The challenge to sustain uninterruptible and reliable electrical energy transmission and distribution can only be met by obtaining more information about power network states and by providing more complex monitoring and protection functions. Recent progress in digital data processing addresses these needs by upgrading substations functionality with more complex protection and monitoring devices. The substation automation system, through the introduction of digital information processing – which with contemporary digital processors can process data in real time – provides better control over energy flow in the power network, the fast clearance of faults and enhanced overall monitoring capabilities of the power network.

A new substation needs digital measurement values of voltage and currents. This introduces a new necessary device that provides digital interface functionality between the analogue measurements of voltage and current (i.e. instrument transformers) to the digital substation built up according to an IEC 61850 standard. Such a device should merge the analogue

3. Forschung 106

measurements as well as the already digital measurements (electronic instrument transformers) and translate them into the substation protocol. This digital data will then be provided to multiple devices such as protection devices and monitoring devices, thus greatly reducing the wiring of the substation, facilitating engineering of new substations and making the substation design more robust.

This dissertation shows that it is possible to apply the common information exchange protocol based on IEC61850 to the process level of the substation automation system by implementing a digital interface or so called “merging unit”. This new digital interface must be properly defined in the scope of available documents such as contemporary standards and papers. Such a definition is provided in this dissertation. In the next step the analysis of the measurement accuracy, the sources of information on the classes and the new classes are presented. This step details the influence of individual parts of the merging unit system on the overall measurement accuracy (Fig 3.68). Following part of the dissertation defines the test procedures for proving the previously defined accuracy classes. This section defines the test scenarios in detail and discusses their relevance with respect to the used-cases. The method for calculating error indices is also defined and discussed. The analysis and discussion are supported by the real measurements, error indices calculation and interpretation.

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Fig 3.68: Merging unit system scheme

3. Forschung 107

Dr.-Ing. Pio Lombardi: Multi criteria optimization of an autonomous virtual power plant

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg - Prof. Dr.-Ing. A. Orths, Energinet DK - Prof. Dr.-Ing. P. Schegner, Technische Universität Dresden


Bild 3.69: Gratulation vor Gebäude 09

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine autonome virtuelle Kraftwerksstruktur mit einer hohen Durchdringung der erneuerbaren Energie analysiert. Ziele der Arbeit sind:

a) Modellierung des VKs b) Optimale Schätzung der Speicherkapazität durch eine Multi-Kriterien-Analyse.

Das VK wird von drei Erzeugungsanlagen (BHKW, Windpark und PV) und zwei Kunden (eine Stadt und ein Industriegebiet) gebaut. Es wird angenommen, dass die Kunden des Industriegebiets aktiv sind, da das Energiemanagementsystem (EMS) ihren Bedarf kontrollieren kann. Drei Technologien wurden als Energiespeicher berücksichtigt, nämlich: diabatische Druckluftspeicher, elektrische Fahrzeuge, die mit dem elektrischen Netz (so genannt V2G) verbunden sind und eine Batteriewechselstation. Während die erste Energiespeichertechnologie eine ältere Lösung darstellt, werden sich die zweite und dritte Technologie wahrscheinlich in den nächsten 20 bis 30 Jahren durchsetzen.

Als Untersuchungsmethode wird eine Multi-Kriterien-Analyse genutzt. Drei Hauptkriterien wurden berücksichtigt: Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit. Die Wirtschaftlichkeit berücksichtigt die Erzeugungs- und Speicherkosten, die Zuverlässigkeit die nicht gelieferte Elektrizität an die Kunden und die Elektro-Fahrzeuge, die nicht vollständig geladen wurden, während das Umweltkriterium die CO2-äquivalenten Emissionen und die

3. Forschung 108

erneuerbare Energie, die nicht ins Netz eingespeist wird, betrachtet. Jedes Kriterium wird mit einem Gewichtsfaktor gewogen.

Tabelle I zeigt die „Performance Matrix“ in der Fallstudie, wobei die diabatische Druckluft als Speicher berücksichtigt wird. Die Gewichtsfaktoren haben alle den gleichen Wert (0.2). Mit diesen Gewichtsfaktoren ist die optimale Speicherkapazität dann gegeben, wenn der Innendruck der Kaverne 27 bar beträgt. Mit einer solchen Speicherungstechnologie und Speicherkapazität kostet die Elektrizität zum Speicher etwa 108 € pro MWh, während die Erzeugungskosten relativ gering sind.

Tabelle I Performance Matrix Druck [bar] Wirtschaftlichkeit Zuverlässigkeit Umwelt Weighted Average Value

I II III IV V

24 0 0 0 0 0 0

25 58 11 69 51 56 49.03

26 80 17 91 71 81 67.94

27 88 100 98 79 90 90.87

28 90 28 99 83 92 78.59

28 93 33 100 87 95 81.63

30 95 39 100 91 97 84.41

31 97 39 100 94 98 85.50

32 99 44 100 97 99 87.76

33 100 50 100 100 100 90.06

Weights 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 1.00

I: Erzeugungskosten;

II: Speicherkosten;

III: nicht gelieferte Elektrizität;

IV: heruntergeregelte erneuerbare Energie;

V: CO2-Äquivalent

3. Forschung 109

Dr.-Ing. Michal Powalko: Beobachtbarkeit eines elektrischen Verteilungsnetzes. Ein Beitrag zum Smart Grid

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg - Prof. Dr.-Ing. D. Westermann, Technische Universität Ilmenau - Prof. Dr.-Ing. R. Krebs, Siemens AG Erlangen


Bild 3.70: Gratulation am Otto von Guericke Denkmal

Der steigende Anteil der in Verteilungsnetzen eingespeisten Energie, die durch dezentrale und meist erneuerbare, volatile Erzeuger produziert wird, beeinflusst immer mehr den Netzbetrieb und führt dabei gleichzeitig zu neuen Herausforderungen, wie z. B. die Beeinträchtigung der konventionellen „top-down“-Lastflussrichtung. Um Verteilungsnetze unter den o. g. Umständen sicher und zuverlässig betreiben zu können, muss die Systembeobachtbarkeit garantiert werden. Dies kann unter Verwendung digitaler Messgeräte, wie Phasor Measurement Units (PMU), welche hochgenaue und zeitsynchronisierte Messungen der Netzgrößen durchführen können, gewährleistet werden.

In dieser Arbeit wurde ein Parameter eingeführt und definiert, der die Beobachtbarkeit eines elektrischen Netzes eindeutig beschreibt. Der Index OLA (engl. Observability Level Assessment) wird aus einer notwendigen OLA1 und hinreichenden Bedingung OLA2 ermittelt.

3. Forschung 110

Bild 3.71: Ablaufplan der OLA-Bestimmung

Dazu wird er in fünf Stufen geteilt, welche die Systembeobachtbarkeit beschreiben.

Beobachtbarkeits-grad OLA

OLA1 OLA2

1 OLA1 < 1 OLA2 > 0

2 OLA1 = 1 OLA2 > 0

3 OLA1 > 1 OLA2 > 0

4 OLA1 = 1 OLA2 = 0

5 OLA1 > 1 OLA2 = 0

Bild 3.72: Anordnung des Beobachtbarkeitsgrades hinsichtlich OLA

Einleitend wurden zwei Verfahren für die Platzierung der PMU im Netz präsentiert, die das Erreichen des gewünschten Beobachtbarkeitsgrades OLA im Energiesystem ermöglichen. Daraus abgeleitet wurden die Genauigkeitsanforderungen an die Messgeräte definiert.

Der Einsatz hochgenauer und zeitsynchronisierter Messungen der elektrischen Größen in Verteilungsnetzen wurde hinsichtlich der Verbesserung der Genauigkeit und der Erweiterung des Standard-Algorithmus der Zustandsschätzung analysiert. Ergänzend wurde mittels dynamischer Simulationen der Beitrag der PMU zur Unterstützung zukünftiger Aufgaben, wie die Erbringung von Dienstleistungen, untersucht.

3. Forschung 111

Dr.-Ing. Mathias Käbisch: Optimale Dimensionierung und Betriebsführung einer brenn-stoffzellenbasierten Auxilliary Power Unit im Fahrzeug

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg - Prof. Dr.-Ing. A. Jossen, Technische Universität München - Prof. Dr.-Ing. J. Haubrock, Fachhochschule Bielefeld


Bild 3.73: Gratulation am Otto von Guericke Denkmal

Zukünftige Kfz-Bordnetze weisen einen erhöhten Elektroenergiebedarf auf. Um diesen Bedarf zu decken, kann ein PEM-Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommen, welches entsprechend dimensioniert werden muss.

Die Arbeit ermöglicht in iterativen Schritten die Auslegung eines Brennstoffzellensystems für die Versorgung des Kfz-Bordnetzes unter Berücksichtigung der zu erwartenden Lasten.

3. Forschung 112

Bild 3.74: Iterative Ermittlung des Bordnetzbedarfs

Dazu erfolgt zunächst die Beschreibung der mathematischen Modellierung der verwendeten Einzelsysteme (Generator, Brennstoffzellensystem, Batterie, Kondensator). Um eine Aussage über die zukünftige Bordnetzbelastung treffen zu können, wurden weiterhin Lastprofile auf Basis einer umfangreichen Literaturrecherche und praktischer Messungen an realen Fahrzeugen erstellt, die in vier Szenarien verschiedene Temperaturen und Tageszeiten berücksichtigen. Es ergaben sich je nach „Elektrifizierungsgrad“ Leistungen von 3 - 6 kW.

Im Anschluss erfolgt die Beschreibung der verwendeten Teststände für die Parametrierung des Brennstoffzellensystemmodells. Dabei fanden im Einzelnen drei Versuchsstände im Leistungsbereich von 140 - 4500 Watt Verwendung. Als Kernaussage ist festzustellen, dass mit dem erstellen Brennstoffzellensystemmodell im betrachteten Leistungsbereich von 0,3 - 4,5 kW die nicht konstante Leistungsaufnahme der Peripherie abgeschätzt bzw. skaliert werden kann. Des weiteren werden Aussagen zum Wirkungsgrad der Systeme getroffen und mit den dynamischen Belastungen der einzelnen Systeme, die dabei dem Verlauf der entwickelten Lastszenarien folgen beschrieben sowie mit einem exemplarischen Beispiel die Anwendbarkeit der entwickelten Szenarien überprüft.

Die Erläuterungen zum adaptiven Energiemanagement, welches in der Bordnetzsimulation enthalten ist und durchgeführten Simulationen zeigen, dass sich mithilfe eines Brennstoffzellensystems und dem Einsatz von Doppelschichtkondensatoren die Lastreduzierung entscheidend vermindert und eine zuverlässige Versorgung des Bordnetzes möglich ist.

Fahrzyklus Fahrzeug Generator Speicher BZ

Simulation

Ende

Szenario

iLast t, iGen iBZired = iLast - iGen - iSp - iBZ

x = 1:1:t

Werte

x < tja

nein

Speichern, Darstellung

Modelle

ired ≈ 0nein

ja

BZ

iBZ,neu > PBZ,neu

PH2 PLuft PKühlung

PStack n

PPeripherie

PBZ,notwendig

iSp

3. Forschung 113

Dr.-Ing. Mohamed Hassan Ahmen Mohamed: Design Optimization of Savonius and Wells Turbines

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Dominik Thevenen, OvGU Magdeburg, FSVT - Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg


Dr.-Ing. Slawomir Bielecki: Calculation of reactive power consumption parameters on distribution power networks with the use of fuzzy computation

Gutachter

- Prof. Dr. habil. Szczesny Kujszczyk, TU Warschau (Polen), FET - Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg

Verteidigt am 28.04.2011, TU Warschau (Polen)

Dr.-Ing. Reinhard Mackensen: Herausforderungen und Lösungen für eine regenerative Elektrizitätsversorgung Deutschlands

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid, Fraunhofer IWES, Kassel - Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg

Verteidigt am 14.06.2011, Universität Kassel

Dr.-Ing. Salaheddin Al-Ali: Der Anschluss des Türkischen Elektroenergiesystems an das Europäische Verbundnetz: Untersuchung des erwarteten Pendeldämpfungsverhalten

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Harald Weber, Universität Rostock, FEIT - Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg - Prof. Dr.-Ing. M. Grebe, Amprion GmbH, Dortmund

Verteidigt am 06.10.2011, Universität Rostock

Dr.-Ing. Michael Agsten: Einfluss gesteuerten Landens von Elektrofahrzeugen auf die Netzbetriebsführung bei volatiler Windeinspeisung

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Dirk Westermann, TU Ilmenau, FEIT - Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg

Verteidigt am 10.10.2011, TU Ilmenau

3. Forschung 114

Dr.-Ing. Elda Carolina Vichez de Gaertner: Impact of Renewable Energy Generation Technologies on the Power Quality of the Electric Power Systems

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. Jürgen Stenzel, TU Darmstadt, FEIT - Prof. Dr.-Ing. Z. A. Styczynski, OvGU Magdeburg

Verteidigt am 27.10.2011, TU Darmstadt


Zeitschriften und Konferenzen

[1] Z. Styczynski, M. Stötzer, P. Gronstedt, H. Weber: Möglichkeiten der Laststeuerung im deutschen Netz; VDE Fachtagung "Die Dynamik des Netzes", München, 23.-24.03.2011

[2] N. Moskalenko; K. Rudion: Optimales Windparkmanagement durch Azimut-winkelanpassung einzelner Anlagen; Tagungsband des 12. Dresdner Kreises, Hannover, Germany, 28.3.2011

[3] A. Naumann: Datenhaltung und Kommunikation im elektrischen Verteilnetz unter Anwendung der Standards IEC 61850 und IEC 61970/61968; Tagungsband des 12. Dresdner Kreises, Hannover, Germany, 28.3.2011

[4] Z. Styczynski, F. Adamek, C. Abbey, Z. M. Almeida do Vale, S. Cheng, P. Favre-Perrod, R. Ferret, R. Iravani, H. Iwasaki, G. Joos, C. Kieny, M. Kleimaler, M. Lazarewicz, P. Lombardi, P. E. Mercado, M. Soo Moon, C. Ohler, J. Pecas Lopes, M. Piekutowski, A. Price, B. Roberts, R. Seethapathy, S. C. Verma, H. Vikelgaard, N. Voropai, B. Wojsczyk: Electric Energy Storage Systems; CIGRE Electra Nr. 255, 04.2011

[5] A. Naumann, V. Kostenko: Realization of control center HMIs by using IEC 61850 and CIM databases for communication and data handling; Beiträge des Darmstadt-Symposium “Verteilnetze von morgen”, Darmstadt, Germany, 12.13.4.2011

[6] Z. Styczynski, F. Adamek, C. Abbey, Z.M. Almeida do Vale, S.Cheng, P. Favre-Perrod, R. Ferret, R. Iravani, H. Iwasaki, G. Joos, C. Kieny, M. Kleimaier, M. Lazarewicz, P. Lombardi, P. E. Mercado, M. Soo Moon, C. Ohler, J. Pecas Lopes, M. Piekutowski, A. Price, B. Roberts, R. Seethapathy, S.C. Verma, H. Vikelgaard, N. Voropai, B. Wojszczyk: Electric Energy Storage Systems; CIGRE Working Group C6.15, 458, ISBN: 978- 2- 85873- 147-3, 04.2011

[7] M. Stötzer, P. Gronstedt, Z. Styczynski: Demand Side Management Potential. A Case Study for Germany; CIRED2011, Frankfurt, 6.-9.06.2011

[8] A. Naumann, B.-M. Buchholz, P. Komarnicki, Ch. Brunner: Seamless data communication and management over all levels of the power system; Proceeding of the 21st International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, Frankfurt am Main, 6.-9. June 2011

3. Forschung 115

[9] N. Moskalenko, K. Rudion, Z. A. Styczynski: Wind Farm Operation Planning Using Optimal Yaw Angle Pattern (OYAP); Proceedings of the IEEE Power-Tech Conference, Trondheim, Norway, 19-23.06.2011

[10] K. Hänsch, A. Naumann, M. Stötzer, P. Komarnicki, T. Kutzler: Elektromobilitätssystem Harz/Magdeburg – Komponenten und Schnittstellen; Beiträge der 16. Magdeburger Logistiktagung; Magdeburg, Germany, 29.06.-01.07. 2011

[11] K. Lipiec, M. Geske, A. Naumann, S. Rabe: Virtuelle Technologien zur Überwachung von Zuständen in elektrischen Energiesystemen; Beiträge zu 14. IFF-Wissenschaftstage, Fachtagung Digitales Engineering und virtuelle Techniken zum Planen, Testen und Betreiben technischer Systeme, Magdeburg, Germany, 28.-30.06.2011

[12] P. Lombardi, M. Stötzer, Z. A, Styczynski, A. Orths: Multi-criteria optimization of an energy storage system within a virtual power plant architecture, IEEE 2011 PES General Meeting, Detroit, Mi, USA, 24-28.07.2011

[13] P. Lombardi: Multi criteria optimization of an autonomous virtual power plant with high degree of renewable energy sources, PSCC 2011, Stockholm, Sweden 22-26.08.2011

[14] M. Käbisch, I. Hauer, Z. A. Styczynski: Dimensioning of the peripheral components for a Fuel Cell based Auxiliary Power Unit in Vehicle Electrical System; IEEE VPPC 2011, Chicago, 06.09.-09.09.2011

[15] P. Lombardi, Z.A. Styczynski: Electric energy storage systems: review and modelling, Cigre Symposium, Bologna, Italy, 13-15.09.2011

[16] P. A. Bernstein, M. Heuer, G. Heideck, Z. A. Styczynski: Impact Study of Hydrogen Utilization in PEM Fuel Cell Systems; 4th WHTC, Glasgow, U.K., 14.-16.09.2011

[17] C. Wenge, M. Stötzer, T. Winkler, P. Komarnicki: Power Quality Measurements of Electric Vehicles in the Low Voltage Power Grid; IEEE Electrical Power Quality and Utilization 2011 (EPQU'11), Lisbon, Portugal, 17.-19.09.2011

[18] M. Käbisch, M. Heuer, B. Bensmann, A. Bornhöft, K. Sundmacher, Z. A. Styczynski: Effiziente Elektroenergieversorgung im Kraftfahrzeug durch ein Brennstoffzellen-hilfsstromaggregat; 10. Magdeburger Maschinenbau-Tage, Magdeburg, 27.-29.09.2011

[19] K. Rudion, A. Orths, H. Abbildgaard, P. B. Eriksen, K. Sogaard, M. Gurbiel, M. Powalko, Z. A. Styczynski: Stationary and Dynamic Offshore Power System Operation Planning;Proceedings of 10th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Plants, Aarhus, Denmark, 25-26.10.2011

3. Forschung 116

[20] S. Rabe, K. Rudion, Z. A. Styczynski, Y. Sassnick, M. Wilhelm: Power Quality Monitoring Guideline for Wind Farms Connected to Extra High Voltage Grids;Proceedings of 10th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Plants, Aarhus, Denmark, 25-26.10.2011

[21] C. Nguyen-Mau, K. Rudion, Z. A. Styczynski: Optimizing the Performance of a VSC HVDC Control System;Proceedings of 10th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Plants, Aarhus, Denmark, 25-26.10.2011

[22] N. Moskalenko, K. Rudion: Wind Farm Planning Using Optimal Pitch Angle Pattern (OPAP); Proceedings of 10th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Plants, Aarhus, Denmark, 25-26.10.2011

[23] H. Guo, C. M. Nguyen, K. Rudion, Z. A. Styczynski: Simulation of Offshore Wind farm Integrated into Power Grid Using HVDC System; 10th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Plants, Aarhus, Denmark, 25-26.10.2011

[24] H. Guo, K. Rudion, Z. A. Styczynski: Stability Study of Offshore Wind Farm with Long HVAC Transmission System; Proceedings of the 7th European Academy of Wind Energy EAWE PhD Seminar, Delft, Netherlands, 27-28.10.2011

[25] N. Moskalenko, K. Rudion: Wind Farm Operation Planning; Proceedings of the 7th European Academy of Wind Energy EAWE PhD Seminar, Delft, Netherlands, 27-28.10.2011

[26] C. Nguyen-Mau, K. Rudion, Z. A. Styczynski: Control Strategies of VSC HVDC Transmission Link Connected to Offshore Wind Farm with Regard to Grid Code; Proceedings of the 7th European Academy of Wind Energy EAWE PhD Seminar, Delft, Netherlands, 27-28.10.2011

[27] M. Stötzer, Z. Styczynski: Kundenseitige Kosten-Nutzen-Analyse für Smart Grid Versorgungsstrukturen; VDE ETG Kongress, Würzburg, 8.-9.11.2011

[28] M. Stötzer, Z. Styczynski, TF Mitglieder: Analyse des Lastverschiebungspotentials in Deutschland zur optimieren Integration erneuerbarer Energien; VDE ETG Kongress, Würzburg, 8.-9.11.2011

[29] M. Powalko, P. Komarnicki, K. Rudion, Z. A. Styczynski: Improving Power System Observability with PMUs; EPU-CRIS International Conference on Science and Technology, Hanoi, Vietnam, 16.11.2011

[30] H. Guo, K. Rudion, Z. A. Styczynski: Integration of Large Offshore Wind Farms into the Power System; 6th International CRIS conference on Critical Infrastructures, Hanoi, Vietnam, 16.11.2011

3. Forschung 117

[31] C. Nguyen-Mau, K. Rudion, Z. A. Styczynski: HDVC Application for Enhancing Power System Stability; 6th International CRIS conference on Critical Infrastructures, Hanoi, Vietnam, 16.11.2011

[32] M. Kranhold, C. Bäck, F. Norlund, P. B. Eriksen, M. Müller-Mienack, O. Ziemann, R. Paprocki, Z. Styczysnki: Entwicklung der Kooperation zwischen den Netzbetreibern im Hinblick auf die neuen Anforderungen im Bereich des Managements von elektrischen Energiesystemen; Zeitschrift: Elektrische Energietechnik, Gegenwart und Entwicklung, ISSN 2080- 8593, Warschau, 2011

[33] P. Hochloff, D. Filzek, G. Heusel, K. Lesch, A. Liebelt, L. Nicklaus, P. Ritter, K. Rohrig, Ch. Röhrig, F. Schlögl, Ch. Volkert, M. Wickert, M. Winter; „Regenerative Modellregion Harz“ 16tes Kassel Symposium Energy Systems Technology, 2011

[34] Z. A. Styczynski, K. Rudion, C. Nguyen-Mau (Editorial Board): Power System Dynamic Security Assessment; Proceedings of the International Autumn CRIS Workshop, Hanoi, Vitnam, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburger Forum zur Elektrotechnik, Vol. 40, ISBN: 978-3-940961-61-7, 16.11.2011

Dissertationen

[1] M. A. Gurbiel: Definition and Testing of a Digital Interface of a Power Substation, Dissertation, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburger Forum zur Elektrotechnik, Vol. 37, ISBN 978-3-940961-54-9, 2011.

[2] M. Käbisch: Optimale Dimensionierung und Betriebsführung einer brennstoffzellenbasierten Auxiliary Power Unit im Fahrzeug, Dissertation, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburger Forum zur Elektrotechnik, Vol. 41, 978-3-940961-67-9, 2011

[3] P. Lombardi: Multi criteria optimization of an autonomous virtual power plant, Dissertation, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburger Forum zur Elektrotechnik, Vol. 38, ISBN 978-3-940961-55-6, 2011.

[4] M. Powalko: Beobachtbarkeit eines elektrischen Verteilungsnetzes. Ein Beitrag zum Smart Grid; Dissertation, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburger Forum zur Elektrotechnik, Vol. 39, ISBN: 978-3-940961-62-4, 2011.

3. Forschung 118

3.3 Lehrstuhl für Leistungselektronik


Das Forschungsprofil des Lehrstuhls für Leistungselektronik trägt der rasch fortschreitenden Entwicklung in diesem Gebiet der Elektrotechnik Rechnung, die maßgeblich geprägt wird durch die Verfügbarkeit neuer, optimierter Bauelemente einerseits sowie durch gestiegene Anforderungen an verschiedene technische Systeme andererseits, die zweckmäßigerweise unter Einsatz leistungselektronischer Stellglieder realisiert werden. So zählt die Leistungselektronik zu den Schlüsseltechnologien für energieeffiziente elektrische Verbraucher und für die Netzeinspeisung von aus erneuerbaren Quellen erzeugter elektrischer Energie.

Der enge Zusammenhang von Komponenten- und Systemebene findet am Lehrstuhl für Leistungselektronik bei der Forschung zu leistungselektronischen Schaltungen und Systemen mit neuen Bauelementen Berücksichtigung: Die betrachteten neuen Leistungshalbleiter-Bauelemente umfassen insbesondere weiterentwickelte MOSFETs, IGBTs und Dioden, aber auch Bauelemente aus Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand wie SiC; darüber hinaus ist die Aufbau- und Verbindungstechnik von nicht zu vernachlässigender Bedeutung, da sie das elektrische und thermische Verhalten sowie die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik mitbestimmt. Aktuelle Arbeiten beziehen sich hierbei schwerpunktmäßig auf Schaltungen bzw. Systeme, zu denen Umrichter für Kleinspannung – wie sie im Automobil oder zusammen mit Brennstoffzellen kleinerer Leistung verwendet werden, resonante Umrichter – wie sie zur kontaktlosen Energieübertragung oder zur induktiven Erwärmung u. a. in Kochfeldern zum Einsatz kommen, oder auch Stromversorgungen – u. a. Schweißstromquellen – gehören. Zu den zu untersuchenden Aspekten zählen die elektrische Funktionsweise unter Berücksichtigung parasitärer Elemente, die thermische Auslegung, eine geeignete Ansteuerung und Regelung, die die Zuverlässigkeit bestimmenden Betriebsbedingungen sowie elektromagnetische Verträglichkeit bzw. Umweltverträglichkeit. Nur ein Verständnis der Wechselwirkung zwischen Bauelement und Schaltung bzw. System erlaubt eine fundierte und anwendungsgerechte Optimierung.

Die hierfür am Lehrstuhl für Leistungselektronik angewandte Methodik ist geprägt durch eine Kombination theoretischer Untersuchungen – wie Berechnung, Modellbildung und Simulation – mit experimentellen Arbeiten – insbesondere an Bauelement, leistungs-elektronischem System und Prozess. Angesichts des ausgeprägt interdisziplinären Charakters vieler der beschriebenen Arbeiten hat sich eine Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen anderer Lehrstühle, außeruniversitären Instituten sowie industriellen Partnern bestens bewährt. Für die gute Zusammenarbeit und auch die diese oft erst möglich machende Förderung sei allen Partnern an dieser Stelle herzlich gedankt. Einige der im Jahr 2011 bearbeiteten Projekte werden im folgenden Abschnitt detaillierter erläutert. Viele von ihnen sind den bereits oben genannten Schwerpunktthemen der Automobiltechnik sowie der elektrischen Energieversorgung unter Einbeziehung erneuerbarer Quellen zuzuordnen.

3. Forschung 119


Zuverlässigkeit von Leistungselektronik unter Automotive-Bedingungen

Beitrag von Dipl.-Ing. Folkhart Grieger

In Folge von v. a. Schalt- und Durchlassverlusten entsteht in Leistungshalbleitern im Betrieb belastungsabhängig Wärme. Diese führt zur Temperaturerhöhung im Bauteil und damit zu dessen Alterung, so dass seine Lebensdauer durch diverse Ausfallmechanismen – wie zum Beispiel Bondablösung oder Delamination der Chips vom Substrat – begrenzt ist. Es ist daher unabdingbar, die Bauelemente so zu dimensionieren, dass sie eine hinreichende Zuverlässigkeit innerhalb der vorgesehenen Lebensdauer des Systems erwarten lassen. Neue Anwendungen wie die Elektromobilität erweisen sich hier aufgrund hoher Zuverlässigkeitsanforderungen bei zyklischer Belastung als anspruchsvoll.

Bild 3.75: Drehstrommaschine mit Spannungszwischenkreisumrichter als Stellglied

Die Methode, eine solche Dimensionierung vorzunehmen, sei am Beispiel eines elektrischen Fahrzeugantriebs illustriert: Betrachtet wird ein leistungselektronisches Stellglied nach Bild 3.75 in Form einer dreiphasigen, selbstgeführten Brückenschaltung, wie als Standardschaltung häufig verwendet. Eine als ideal angenommene Batterie versorgt als Spannungsquelle den Spannungszwischenkreis, eine permanenterregte Synchronmaschine stellt die Last dar; die Ansteuerung des Stromrichters implementiert die Antriebsregelung. Die Verläufe relevanter elektrischer und thermischer Größen in diesem Leistungsteil werden simulativ für verschiedene Betriebsregime ermittelt, die in diesem Falle typische Fahrzyklen abbilden. Mit Hilfe geeigneter statistischer Methoden wird das Temperaturprofil ausgewertet, welches sich aus der Simulation ergibt. Somit können die auftretenden Zyklenzahlen für bestimmte Temperaturdifferenzen über die Gesamtlebensdauer dargestellt

3. Forschung 120

werden. Im Folgenden wird unter Ansatz einer Weibull-Verteilung ein Bezug zwischen diesen anwendungsspezifischen Anforderungen und standardisierten Prüfbedingungen hergestellt, unter denen vorab beschleunigte Tests zur Qualifizierung der Bauelemente durchgeführt wurden, z. B. Temperaturwechsel und Lastwechsel. Die Dimensionierung erfolgt dann so, dass für die anwendungsspezifischen Betriebsbedingungen aufgrund der aus den Ergebnissen der Qualifizierung extrapolierten Zuverlässigkeitsdaten der Bauelemente eine hinreichend geringe Ausfallwahrscheinlichkeit über die vorgesehene Lebensdauer zu erwarten ist.

Die skizzierte Vorgehensweise lässt sich allgemein anwenden, sofern die Einsatzbedingungen der Leistungselektronik bekannt sind. Es ist zu erwarten, dass diese Thematik in Anbetracht einer steigenden Durchdringung der Fahrzeugtechnik und anderer Gebiete mit Leistungselektronik in naher Zukunft stark an Bedeutung gewinnen wird.

Optimierung der Betriebsführung von Brennstoffzellen im Fahrzeug unter Verwendung permanenter Diagnose - COMO A3

Beitrag von Dipl.-Ing. Christian Teichert

Um leistungsstarke Verbraucher im Bordnetz zu unterstützen, kann eine Brennstoffzelle als Hilfsstromversorgung in das Bordnetz integriert werden, wie im Folgenden untersucht: In den Simulationen verschiedener Szenarien wurde exemplarisch eine durchschnittliche Bord-netzleistung von 3000 W angenommen. Zusätzlich wurde ein übergeordnetes Energiema-nagement entworfen, das über die leistungselektronischen Stellglieder die Leistungsflüsse der einzelnen Energiewandler und -speicher koordiniert. Dieses Management ist zunächst derart programmiert, dass die Brennstoffzelle eine konstante Leistung abgibt, solange sich der SOC (Ladezustand, state of charge) der Batterie unterhalb von 98 % befindet. Bild 3.76 zeigt den SOC der Batterie während eines standardisierten Fahrzyklus. Entstehende Energie-defizite werden, soweit es möglich ist, vom Generator gedeckt. Sollte diese Energie nicht ausreichen, wird zuerst die Energie aus dem Doppelschichtkondensator entnommen, bis dieser entladen ist, und anschließend aus der Batterie. Bei Energieüberschuss wird dann zu-erst der Doppelschichtkondensator geladen und im Anschluss die Batterie. Aus der Darstel-lung ist ersichtlich, dass der Generator die Verbraucher nicht ausreichend mit Energie ver-sorgen kann, wobei mit zunehmender Brennstoffzellenleistung der SOC nicht mehr so stark abfällt. Ab einer Brennstoffzellenleistung oberhalb von 1500 W steigt dieser über den Zeit-raum des Fahrzyklus an, was gleichbedeutend mit einem ausreichenden Energiehaushalt ist. Die gestrichelten Linien zeigen jeweils den SOC bei der Verwendung einer Start-Stopp-Funktion, bei der der Verbrennungsmotor ausgeschaltet wird, sobald die Fahrzeuggeschwin-digkeit v=0km/h erreicht und wieder startet, sobald der Fahrer weiterfahren möchte. In die-ser Zeit kann keine Energie vom Generator zur Verfügung gestellt werden, was den Energie-haushalt zusätzlich belastet.

3. Forschung 121

Bild 3.76: Erweitertes Bordnetz mit Brennstoffzelle und Doppelschichtkondensator

(IGen,max=140 A, PLast=3000 W, CDSK=20 F, CBatterie=44 Ah)

In Bild 3.77 ist die Stromstärke dargestellt, die bei großer Nennleistung der Brennstoffzelle, die hier der mittleren Last im Bordnetz entspricht, vom Generator zusätzlich zur Verfügung gestellt werden muss, damit alle Verbraucher ausreichend mit Energie versorgt werden kön-nen. Dieser Strom, der ausschließlich zur Deckung der Lastspitzen dient, ist im Gegensatz zum maximalen Strom sehr gering, was erwartungsgemäß zeigt, dass in diesem Fall der Ge-nerator überdimensioniert und diese Kombination unzweckmäßig ist. Es wäre deshalb mög-lich, den Generator zu verkleinern oder vollständig auf ihn zu verzichten. Die Energiediffe-renz müsste dann aus den Energiespeichern gedeckt werden.

Bild 3.77: Maximaler Strom des Generators beim Durchfahren des NEFZ und der tat-

sächlich gewandelte Strom des Generators (IGen,max=140 A, Last=3000 W, CDSK=20 F,PBrennstoffzelle=3000 W, CBatterie=44 Ah)

0 200 400 600 800 1000 12000

20

40

60

80

100

ohne Start-Stopp-Funktion mit Start-Stopp-Funktion

Brennstoff-zellenleistung

0 W 500 W 1000 W 1500 W 2000 W 2500 W 3000 W 3500 W

SO

C /

%

Zeit / s

0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

Maximaler Generatorstrom Generatorstrom

Str

om /

A

Zeit / s

3. Forschung 122

Bild 3.78 zeigt den entsprechenden Doppelschichtkondensator- und Batteriestrom, wenn das Fahrzeug auf den Einsatz eines Generators verzichtet. Das Energiemanagement ist in diesem Fall derart programmiert, dass bei einem auftretenden Energiedefizit zuerst der Doppelschichtkondensator und im Anschluss die Batterie entladen werden. Gleiches gilt für die Ladung, zuerst wird der Doppelschichtkondensator vollständig geladen und anschließend die Batterie. Bei diesem Szenario bleibt der SOC der Batterie nahezu konstant.

In einem weiteren Szenario wurde untersucht, ob der Generator und die Starterbatterie durch eine Brennstoffzelle und einen Doppelschichtkondensator vollständig zu ersetzen sind. Bild 3.79 sind die Ströme des Doppelschichtkondensators und der Batterie dargestellt. Dabei fällt auf, dass elektrische Energie weder in der Batterie zwischengespeichert (positive Strö-me), noch Energie aus der Batterie entnommen wird (negative Ströme). Hierbei wurde ledig-lich der Doppelschichtkondensator auf 50 F vergrößert. Aus diesem Grund ist es denkbar, auf diesen Energiespeicher zu verzichten und ausschließlich den Doppelschichtkondensator mit seiner großen Leistungsdichte zu verwenden. Eine Alternative dazu wäre eine kleinere Batte-rie im einstelligen Amperestundenbereich zusätzlich zum Doppelschichtkondensator zu ver-wenden, die für den Fall eines längeren Stillstandes des Fahrzeuges und der Selbstentladung des Kondensators, den sicheren Start des Verbrennungsmotors ermöglicht.

Bild 3.78: Ströme im Doppelschichtkondensator und der Batterie (IGen, max=140 A,

PLast=3000 W, CDSK=20 F, PBrennstoffzelle=3000 W, CBatterie=44 Ah)

0 200 400 600 800 1000 1200-365

-360

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Batteriestrom Doppelschichtkondensatorstrom

Str

om /

A

Zeit / s

3. Forschung 123

Bild 3.79: Ströme im Doppelschichtkondensator und der Batterie (IGen, max=0 A,

PLast=3000 W, CDSK=50 F, PBrennstoffzelle=3000 W, CBatterie=0 Ah)

Szenarien wie die vorgestellten können anhand eines Gütekriteriums bewertet werden, das eine optimierte Auslegung des Bordnetzes erlaubt.

Nutzung biogener Energieträger für Brennstoffzellen - GreenFC - Teilprojekt Leistungselektronik in Systemen zur Nutzung biogener Energieträger für Brennstoffzellen

Beitrag von M. SC. Yuriy Bessarab

Dezentrale Energieerzeugungsanlagen können zu einem virtuellen Kraftwerk verschaltet werden, wobei diese miteinander verbunden und in der Lage sind, zentrale Kraftwerksleis-tung zu ersetzen. Im Gegensatz zu fluktuierenden Energiequellen wie Windkraft- und Photo-voltaikanlagen sind Kraft-Wärme-Kopplungs-(KWK-)Anlagen mit Brennstoffzellen unabhän-gig steuerbar und können zu jeder Zeit Strom erzeugen. Flexible Energiemanagement-Strategien gehören zum Vorteil dezentraler Energieerzeugung. Wird ein dezentrales Ener-gieerzeugungssystem als Inselnetz betrieben, ist ein zusätzlicher Energiespeicher erforder-lich, der als Puffer bei der Laständerung eingesetzt werden kann. Die wesentlichen Kompo-nenten – Wechselrichter, bidirektionaler und unidirektionaler Gleichspannungswandler – zeigt Bild 3.80. Der Wechselrichter soll neben der Funktion der Leistungseinspeisung auch Systemdienstleistungen am Netz wahrnehmen. Dieses Energieversorgungskonzept ermög-licht eine gleichzeitige Einspeisung von Wirkleistung ins Netz und Blindleistungskompensati-on.

0 200 400 600 800 1000 1200-365

-360

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Batteriestrom Doppelschichtkondensatorstrom

Stro

m /

A

Zeit / s

3. Forschung 124

Bild 3.80: Systemübersicht zum Teilprojekt des Lehrstuhls für Leistungselektronik

Modellierung und Entwurf eines unidirektionalen potentialtrennenden Gleichspannungs-wandlers mit seiner Regelung für eine Leistung von 500 W zum Anschluss an den Brennstoff-zellenstack der Elektroenergieerzeugungsanlage wurden durchgeführt. Topologie und Auf-bau des Gleichspannungswandlers werden in Bild 3.81 und in Bild 3.82 dargestellt. Der auf-gebaute DC/DC-Wandler besteht aus zwei Transistorvollbrücken, die miteinander durch ei-nen HF-Trafo verbunden sind. Der HF-Trafo verbindet die Hochstrom- und die Hochspan-nungsseite.

Verschiedene Regelstrategien im Zeitbereich und im Zustandsraum wurden verglichen. Die Ergebnisse der Messung sind in Bild 3.83 zu sehen. Alle diskutierten Regelungsarten können die gestellten Aufgaben erfüllen, die Zustandsregelung weist dabei bessere dynamische Ei-genschaften auf.

Bild 3.81: Schaltung des Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung

=

=

=

=

DC

48V DC

Netz

bidirekt. DC/DC- Wandler

unidirekt. DC/DC- Wandler

Akkumulator

Brennstoffzelle Wechselrichter

=3~

L1

L2

L3

DrosselnIn

Steuer- u.Regeleinheit



System-steuerung

750V DC

UT1 UT2

iT1 iT2CS2CS1

L1i

UEin

CS2 CS1

C

L1

UAus

CSCL

RCL

CCLiLast

HF-TrafoDCL

Hochstromseite 30…60 V Hochspannungsseite 400…750 V Clamping-Schaltung

CS3 CS4

CS4 CS3

RLast

3. Forschung 125

Bild 3.82: Aufbau des Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung

Bild 3.83: Vergleich der Spannungsregelung im Zeitbereich und im Zustandsraum

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

3

69

1215

18

185190195200205210215220

0,600,650,700,750,800,850,900,951,00

Eingangsstrom

i L1 [

A]

t [s]

Ausgangsspannung

uo

ut [

V]

PI-PI-Regler PI-P-Regler Zustandsregler

Aussteuergrad

d

3. Forschung 126

Zur Untersuchung des Einflusses der Belastungsschwankungen auf das Betriebsverhalten und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle eignet sich besonders gut die Impedanzspektro-skopie. Dabei wird ein stationärer Arbeitspunkt ausgewählt und dem Gleichstrom ein kleiner Wechselstrom aufmoduliert. Dies verursacht Konzentrationsschwankungen an den Elektro-den und diffusionsbestimmte Reaktion. Da dieser Prozess mit begrenzter Geschwindigkeit abläuft, wird diese Reaktion dem in der Elektrode fließenden Wechselstrom nacheilen, so dass, eine Phasenverschiebung auftritt. Dies kann bei verschiedenen Frequenzen und Amplituden des Wechselanteils analysiert werden. Dabei stellt sich ein quasistationärer Zu-stand ein, weil das aufmodulierte Signal periodisch sinusförmig wechselt, so dass Aussagen über den Betriebszustand getroffen werden können. Bild 3.84 stellt einen am Brennstoffzel-lenstapel gemessenen, sinusförmig aufmodulierten Wechselstrom der Amplitude

A 0,2

LII und einer Frequenz von 2 Hz dar, dabei beträgt der Mittelwert A 10 LII . Der

resultierende Wechselanteil der Spannung beträgt mV 14 1

U , dies ergibt den Impe-danzwert Z=70 mΩ . Bei Auswahl der Amplitude des Wechselanteils des Stromes ist zu be-rücksichtigen, dass zu große Amplituden keinen stationären Zustand ermitteln lassen und zu kleine Amplituden zu Messunsicherheiten führen.

Verschiedene Reglerentwürfe zur Einspeisung der von der Brennstoffzelle erzeugten Elekt-roenergie mittels eines Wechselrichters werden durch Simulation untersucht. Als Wechsel-richter wird vorrangig die dreiphasige Ausführung betrachtet, deren Steueralgorithmen aber auch für einphasige Schaltungen zum Einsatz kommen könnten. Die Stromregelung des In-verters sorgt dafür, dass die IGBTs so gesteuert werden, dass Verzerrungsblindleistung von nichtlinearen Verbrauchern kompensiert wird und ein sinusförmiger und zur Spannung in Phase liegender Strom aus dem Netz bezogen wird. Zur Simulation der Kompensation einer ohmsch-induktiven Last wurde die in Bild 3.86 gezeigte Schaltung verwendet.

Bild 3.84: Gemessene Strom- und Spannungsverläufe bei der Einprägung eines

periodischen Testsignals an die Brennstoffzelle

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,102

0,104

0,106

0,108

3,42

3,43

3,44

3,45

3,46

3,47

j L1,

A/c

m2

t, s

u1

-, V

3. Forschung 127

Die nichtlineare Last besteht aus einem dreiphasigen Gleichrichter mit in Reihe geschalteten Lastwiderstand und Induktivität: Für die Simulation wurde eine Last mit einem Widerstand R von 100 Ω und einer Induktivität L von 200 mH in Reihe verwendet. Die Zwischenkreisspan-nung betrug 750 V und die Netzspannung betrug 230/400 V. Das Simulationsergebnis ist in Bild 3.87 veranschaulicht. Es wird die Netzspannung, Netzstrom, Laststrom und den Inverter-strom der ersten Phase dargestellt. Der Laststrom ist aufgrund der Induktivität blockförmig. Die Summe aus Laststrom und Inverterstrom entspricht dem Netzstrom. Der Netzstrom ist sinusförmig und liegt in Phase mit der Netzspannung. Somit ist die Kompensation der Last-ströme in der Simulation erfolgreich. Die Messung bestätigt das Simulationsergebnis in Bild 3.88. Die Zwischenkreisspannung betrug 660 V und die Netzspannung betrug 220 V Leiter-Erde-Spannung. Die Last nahm bei der Messung 1 kW Leistung auf. Die Netzspannung, der Laststrom und der Inverterstrom wurden über die eingebauten Wandlerkarten gemessen, der Netzstrom mit einer Strommesszange. Der Netzstrom ist sinusförmig und liegt in Phase mit der Netzspannung. Der Laststrom entspricht einer ohmsch-induktiven Last mit vorge-schaltetem Gleichrichter. Auch hier treten Unsymmetrien aufgrund der Berechnung des Laststroms auf. Die Kompensation des Laststroms war erfolgreich.

Bild 3.85: Dreiphasiger Inverter mit Netzinduktivitäten und Zwischenkreiskapazität

Bild 3.86: Messschaltung: Aktiver Filter mit ohmsch-induktiver Last

T ... T1 6 D ... D1 6

+

-

L1

L2

L3

iL1

T ... T1 6T ... T1 61 6

C

D ... D

+

-

L1

L2

L3

L1L1

L2L2

L3L3

iL1iL1

L ... Lk1 k3

1NuL1Nu

LL1u

Zu

3300µFC

660V

T1

T2

T3 T5

T4 T6

L312mH

L32100µH

L3310µH

Nichtlineare Last

Inverter

Netz

400 V50 Hz

L2k L3k

D1 D3 D5

D2 D4 D6

i L1n

i L2n

i L3n

iL1k

R

L

3. Forschung 128

Bild 3.87: Simulation: aktiver Filter mit ohmsch-induktiver Last

Bild 3.88: Messung: aktiver Filter mit ohmsch-induktiver Last

Modeling of Inverter EMI Characteristics using Switching Waveform Analysis

Beitrag von Dipl.-Ing. Sebastian Schulz

The fast switching power semiconductors show a direct influence on conducted emissions of a power converter. This switching behavior of the transistor is influenced by the DC-link volt-age uDC, the current iC, the gate resistor RG and an optional gate-emitter capacitor CGE. These influencing parameters modify directly the switching behavior concerning magnitude, du/dt and di/dt values and overshoot within the whole waveform. The result is an influence on the spectrum of the power semiconductor voltage- and current waveforms. Finally the modifica-tion of these spectra has a direct influence on the conducted emissions of the power con-verter (Fig 3.89a).

By variation of the influencing parameters (Fig 3.89a) it is possible to impact the spectra of the switching voltage- and current waveforms and therefore the conducted emissions of the power converter. Performing a high number of measurements of waveforms of transistor voltage, current and conducted emissions it is possible to find the correlation between the spectrum of transistor waveforms and the spectrum of the conducted emission by using of statistical analysis methods. To obtain a manageable number of regressions it is necessary to divide the current and voltage spectrum into frequency intervals. For each interval the enve-

20 30 40 50 60 70 80

-8-6-4-202468

Inverterstrom L1

t [ms]

i L1

k [A

]

-8-6-4-202468

Laststrom L1

i L1

l [A

]

-8-6-4-202468

Netzstrom L1

i L1

n [

A]

-400-300-200-100

0100200300400

Netzspannung L1u

L1

n [

V]

160 170 180 190 200 210 220

-8-6-4-202468

Inverterstrom L1

t [ms]

i L1

k [A

]

-8-6-4-202468

Laststrom L1

i L1

l [A

]

-8-6-4-202468

Netzstrom L1

i L1

n [

A]

-400-300-200-100

0100200300400

Netzspannung L1

uL

1n [

V]

3. Forschung 129

lope curve (Fig 3.90 (blue)) and the average values (Fig 3.90 (black)) are determined. Based on regression analysis of the correlation between the spectra of the transistor voltage and current and the conducted emissions of the power converter (Fig 3.89b), the following equa-tion is received.

AVswitchAVswitchAVDist IfftCUfftBAU (3.6)

The regression parameters A, B, C are the weighting factors for each frequency interval. Us-ing these parameters and equation (3.4) it is possible to predict the average values of the conducted emissions of the power converter for each frequency interval.

Fig 3.89: Influence of DC-link voltage uDC, current iC, Gate-Resistor RG and the Gate-Emitter-Capacitor CGE on the conducted emissions of the power converter a), determined average values for each frequency interval b)

Fig 3.90: Determined average values of the spectrum of transistor voltage uCE and cur-

rent iC for each frequency interval

3. Forschung 130

To identify the system, a high number of measurements is necessary. To use this procedure to predict the conducted emissions of an unknown system the regression parameters A, B, C can to be transferred into physical parameters. Therefore, it is necessary to split the func-tional chain of the equivalent circuit into two parts:

The common-mode equivalent circuit. Common-mode emissions mainly occur due to du/dt connected with switching and capacitive coupling to ground.

The differential-mode equivalent circuit. Differential-mode emissions mainly occur due to switching di/dt. The propagation of these interference currents is from the DC-link into the mains.

By means of a separation into a common mode and differential mode equivalent circuit the transfer behavior from the considered transistor towards the mains can be determined. A comparison of this transfer behavior with the regression parameters shows that the range and the frequency dependence of the transfer behavior is very similar to the regression parameters.

Fig 3.91: Equivalent circuit of the power converter with propagation paths for common (blue) and differential mode emissions (red)

Performing a generalization of equation (3.6) the regression parameters B and C can be re-placed by the transfer behavior of transistor voltage (Btransfer) and current (Ctransfer). Neglect-ing the parameter A it is possible to modify the equation (3.6) into (3.7). Based on the equiv-alent circuit it is possible to achieve the continuous transfer behavior of the spectra of the transistor voltage and current.

switchtransferswitchtransferDist ifftCuBu (3.7)

The proposed method gives the possibility to predict the continuous trend of inverter EMI.

3. Forschung 131

Optimisation of Electrical Parasitics under Consideration of Thermal Behaviour of Power Semiconductor Components

Beitrag von Dipl.-Ing. Stefan Förster

Capacitive and inductive parasitics of every electrically conducting structure are inseparably associated with geometry. Especially in power electronics thermal optimisation along with minimisation of occupied circuit layer area has the demand for a thick but laterally limited layer. Electrical optimisation by means of minimisation of formation of parasitics instead aims on a flat structures. With a multi-objective optimisation work aims on best compromise solutions.

A half-bridge configuration which provides fundamental current commutation behaviour is considered. Fig 3.92 gives the electrical and geometrical model of a DCB substrate of an industrial inverter module. It depicts a possible lateral discretisation for establishment of the current cell mesh of a PEEC (partial element equivalent circuit) model. With 4 chips incorporated this results in at least 7 optimisation criteria including the 4 thermal resistances of the chips and capacitive behaviour of floating midpoint potential to ground as well as inductive behaviour for both possible commutation current paths.

The inductances, capacitances and ohmic resistances at defined connection points are of special interest because they represent the behaviour as easily interpretable lumped parameters. PEEC approaches generally base on a discretisation of the physical structure into volumetric segments for the currents and surface cells for the charges leading to Fig 3.93. The dense coupling matrices can be sparsified. The simplistically depicted windowing is based on an inversion of the coupling matrix.

Fig 3.92: Half-bridge configuration – left: electrical circuit incorporating coupled impedances at each leg; centre: solid model with depicted contact positions of the semiconductor chips; right: discretised model with visible segmentation of the electrically conducting volumes

3. Forschung 132

Fig 3.93: Partial element – left: equivalent circuit of conducting regions obtained from electrical field integral eq.; simplified depiction of the windowing method for coupling determination

Exact analytical solutions for surface temperature distribution for up to two layers with several rectangular chip areas on the first layer can be obtained with the solutions of Muzychka. The coefficients of the general upper surface solution are retrieved from a functional that only result from convective boundary condition at the bottom surface and the condition of steady value of heat flux where different layers adjoin. This independency from upper surface bondary conditions facilitates the incrementally extension to more than two layers which is accomplished with this work starting from bottom layer n up to top layer 1.

A disadvantage of purely analytical calculation results from the asumption of a fully closed top metallisation. For set up of the electrical circuit the metallisation is cut. Because all layers below top copper layer down to heatsink remain unchanged during optimisation it seems appropriate to just discretise the top layer in thermally resistive elements arranged in rectangular.

Fig 3.94 gives the DCB substrate of a discrete mounted to heatsink with h=5000W/(m2∙K). The upper surface of the insulation layer is subdivided into rectangular areas. For each area segment one row of a thermal resistance Matrix Rth,ins is allocated. The diagonal elements of Rth,ins together with the thermally resistive elements of the discretised top layer form an electrically equivalent circuit of the thermal problem. Eq. (3.8) gives a matrix formulation of the circuit. A is dimensioned n x b with n nodes and b resistive elements. Qn and Ѳn are the nodal vectors of heat flux and temperature:

11

1

T

n

nnT

ARAQ

QARA (3.8)

Presented methods provide the possibility to effectively determine thermal and electrical parasitics of power semiconductor components and to test variations on optimisation capability.

3. Forschung 133

Fig 3.94: Model of DCB substrate of a discrete – left: with electrically conducting top layer and soldered chip; centre: top layer removed for surface descretisation of insulation layer; right: nodal temperatures of top copper layer with P = 1W applied to each chip to substrate area

Berechnung des instationären Verhaltens von permanentmagneterregten Synchronmaschinen am Drehstromsteller

Beitrag von Dipl.-Ing. Marcel Benecke

Als Antrieb für elektrische Pumpen, Lüfter oder Förderbänder dienen häufig Asynchronmaschinen in Verbindung mit einem leistungselektronischen Sanftanlaufgerät. Diese werden, ausgenommen während des Anlaufs, ausschließlich bei Nenndrehzahl betrieben.

Es wurde die Möglichkeit untersucht, die Asynchronmaschine durch eine energieeffiziente Synchronmaschine unter Nutzung desselben Thyristorstellers anlaufen zu lassen und damit den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erhöhen. Im Gegensatz zum für Synchronmaschinen i.d.R. benutzten selbstgeführten Frequenzumrichter ist der Drehstromsteller ein netzgeführter Direktumrichter. Eine herkömmlich feldorientierte Regelung ist somit nicht möglich.

Es ist ein spezielles Steuerverfahren notwendig, welches auf Grundlage der Rotorposition, der Drehzahl sowie der aktuellen Netzspannungsphasenlage Zündentscheidungen generiert die zu einer wirksamen Beschleunigung des Rotors und schließlich zur Synchronisation des Rotors entsprechend der Netzfrequenz führt. Durch die selbstlöschende Eigenschaft der Thyristoren im Drehstromsteller bedingt, ist eine Vorausberechnung von Strom und Drehmoment in Vorbereitung einer Zündung notwendig, wobei sich der Vorausberechnungshorizont notwendigerweise bis zum Verlöschen der Thyristoren erstreckt.

Auf der Basis der bekannten Maschinengleichungen einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) und der Kenntnis der Maschinenparameter (Ständerwiderstand, -Induktivität, und Flussverkettung der Permanentmagnete) kann ein Differentialgleichungssystem (Gleichungen (3.9)) aufgestellt werden.

3. Forschung 134

ABCBCpABABd

A iRuuuuLdt

di132

3

1

BpABpBCABBCd

B iRuuuuLdt

di13

3

1

J

pwRBRRApR mii

J

p

dt

d

cos2sin3cos2

3 2

2

2

(3.9)

Die Differentialgleichungen sind verkoppelt und nichtlinear. Unter der Annahme unendlicher Massenträgheit (Es kann gezeigt werden, dass diese Annahme für einen begrenzten Zeitraum zulässig ist.) wird eine analytische Lösung (Gleichung (3.10)) des Gleichungssystems abgeleitet, welche als Grundlage der Vorausberechnung für den zeitlichen Stromverlauf infolge einer möglichen Thyristorzündung und der darauf folgenden Zündentscheidung dient.

kkk

ttL

R

kkkkk

k

kk

ttL

R

LRetLtR

LR

ueiti

cossincossin

ˆ

)(

22

410

1

1

(3.10)

Mit dieser Stromberechnungsvorschrift können Stromverläufe für beliebige nichtstationäre Arbeitspunkte (beliebige Zündkombinationen, Netzspannungsphasenlage, Rotorlage und Drehzahl) der Maschine berechnet werden. Es können verschiedene Schaltzustände des Thyristorstellers auftreten. Es sind sowohl drei (A, B und C) als auch zwei leitende Thyristoren (AB, BC oder CA) sowie kein leitender Thyristor möglich. Diese Zustände können durch Zündung der entsprechenden Thyristorpaare erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, alle drei Thyristoren zu zünden, was zu einem dreiphasigen Stromfluss führt bis schließlich der erste Thyristor verlöscht. Die andere Möglichkeit ist die Zündung von ausschließlich zwei Thyristoren mit der Folge eines zweiphasigen Stromflusses. Beide Varianten werden als Einzelzündung bezeichnet. Führen zwei Phasen einen Strom, besteht die Möglichkeit, die jeweils dritte Phase zusätzlich zu zünden. Diese Variante wird als Folgezündung bezeichnet. Um letztere Variante ebenfalls vorausberechnen zu können, müssen zusätzlich Anfangswerte in der Stromberechnung berücksichtigt werden.

In einem ersten Schritt sollen vorerst nur Einzelzündungen betrachtet werden. Die Tauglichkeit der Strom- und Drehmomentvorausberechnungsvorschrift soll anhand eines Vergleichs von Messung und Berechnung nachgewiesen werden. Dazu wurden mit einem Drehstromsteller an einer leerlaufenden PMSM zu einer definierten Phasenlage der Netzspannung dreiphasige Einzelzündungen für verschiedene Arbeitspunkte durchgeführt. Es wurden die weiteren zur Stromberechnung notwendigen Arbeitspunkt-abhängigen Größen aufgezeichnet (Rotorlage und Drehzahl) und mit diesen Information und der Kenntnis der Maschinenparameter der Stromverlauf und das Drehmoment berechnet. Bild 3.95 zeigt beispielhaft einen Vergleich von Messung und Berechnung. Der berechnete und der gemessene Stromverlauf weisen eine sehr gute Übereinstimmung auf. Aufgrund der

3. Forschung 135

Annahme unendlicher Massenträgheit ergeben sich abhängig von der real auftretenden Drehzahländerung Differenzen in der Stromflusszeit (Drehzahlerhöhung → kürzerer Stromfluss, Drehzahlabsenkung → längerer Stromfluss) sowie in den Amplituden. Das berechnete Drehmoment stimmt für die ersten Millisekunden nach der Zündung mit der Messung weitgehend überein. Bedingt durch die Drehzahländerung, die in der Berechnung nicht wirksam ist, nimmt mit wachsender Zeit der Fehler des Drehmoments zu. Im dargestellten Fall ist die entwickelte Beschleunigung sehr groß und mithin der Fehler der idealisierten Berechnung besonders ausgeprägt.

Insgesamt kann festgestellt werden, dass die Berechnungsvorschrift geeignet ist, Stromfluss und Drehmoment im Vorfeld einer Zündung vorauszuberechnen und damit als Grundlage für ein Steuerverfahren zum Anlassen von PMSM dienen kann. Die Vorausberechnung wurde auf einem DSP programmiert, welcher als Steuergerät für einen zum experimentellen Nachweis verwendeten Drehstromsteller dient.

Bild 3.95: links: Berechnungsergebnis für dreiphasige Zündung bei definierter Drehzahl, Rotorlage und Netzspannungsphasenlage, rechts: Messergebnis von Strom und Drehmoment bei einmaliger dreiphasiger Zündung

Referenzsystem für das Widerstandsschweißen

Beitrag von Dr.-Ing. Reinhard Döbbelin Dipl.-Ing. (FH) Stefan Förster

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein in der Praxis einfach anzuwendendes Refe-renzsystem zur Bewertung der Feldexposition der Bediener von Widerstandsschweißeinrich-

3. Forschung 136

tungen erstellt werden. Das Referenzsystem soll für die Vielfalt der in der Praxis des Wider-standsschweißens auftretenden Expositionssituationen die relevanten Werte der im Körper des Bedieners auftretenden elektrischen Feldstärke bzw. Stromdichte liefern. Ein diesbezüg-licher Nachweis ist derzeit nur auf der Basis detaillierter numerischer Feldberechnung mög-lich, wie sie im Vorhaben zur Erstellung des Referenzsystems durchzuführen sind. Im Ergeb-nis können die sonst in jedem Betrieb einzeln mit erheblichem Aufwand vorzunehmenden Expositionsanalysen vereinfacht werden.

Die Untersuchungen werden mit der Feldberechnungssoftware EMPIRE® durchgeführt. Die-ses Programm benutzt die Finite Differenzen Methode im Zeitbereich (FDTD) zur Lösung der Maxwell’schen Gleichungen. Hierfür wird der gesamte Simulationsraum bestehend aus leit-fähigen Materialen sowie umgebender Luft in quaderförmige Zellen diskretisiert. Die not-wendige Feinheit der Diskretisierung ergibt sich maßgeblich aus den Stoffgrenzen sowie der höchsten zu untersuchenden Frequenz des eingeprägten Schweißstroms. Um die Simulati-onsdauer auch für Untersuchungen im niederfrequenten Bereich vertretbar zu halten wird die Simulation bei einer Frequenz f´ im Bereich einiger Megahertz, Leitfähigkeiten σ´(f´) und Permittivität des Vakuums für alle Materialien im Simulationsraum ausgeführt. Die resultie-rende Feldgröße EK´(f´) wird anschließend auf die kleinere Frequenz f skaliert.

Dies ist möglich, da die Verschiebungsstromdichte für niedrige Frequenzen bei praktisch auf-tretenden dielektrischen Eigenschaften vernachlässigbar ist. Als realistische, durch Simulati-on untersuchte Expositionssituation wird das Modell eines Menschen in typischer Bediener-position vor dem Schweißkreis einer Widerstandsschweißmaschine untersucht, dieses be-steht aus 42 dispersiv modellierten Gewebearten. Im Beispiel wird der Bereich des Median Nerv nahe des Handgelenks untersucht, begründet durch dessen motorische Innervation der Handmuskulatur. Die Diskretisierung wird entsprechend im Bereich einer durch Bild 3.96 dargestellten Schnittebene verfeinert, welche den Nerv quer zu seinem Verlauf schneidet.

Bild 3.96: Modell eines menschlichen Körpers in einer Schnittebene durch den Unterarm

nahe des Handgelenks mit gekennzeichneter Position des Median Nervs

A

87mm

107m

m med

ian

nerv

e

3. Forschung 137

''

'

'

fEf

ffE kk

(3.11)

Die Stromdichteverteilung JK nach Bild 3.97 im menschlichen Gewebe resultiert aus dem in-duzierten elektrischen Feld Eb. Dieses wird nach dem Induktionsgesetz hervorgerufen durch die durchsetzenden magnetischen Wechselfelder welche im quasistatischen Fall dem Schweißstrom selbst proportional sind. Die Ausbildung der magnetischen Wechselfelder im Betrachtungsraum hängt dabei maßgeblich von der Geometrie des Schweißkreises ab.

Im Allgemeinen ist der Schweißstrom eine Überlagerung einzelner Harmonischer von jeweils ganzzahlig vielfacher Frequenz der ersten erkennbaren Periodizität (fI,S,1 = 50 Hz für eine Wechselstromschweißmaschine im Direktbetrieb am Netz). Eine Übereinstimmung mit den Richtlinien kann sichergestellt werden, wenn alle Harmonischen im Zusammenhang, gewich-tet mit ihren individuellen Grenzwerten, beachtet werden.

a) b)Bild 3.97: Stromdichte im Körper JK auf der durch Abb. 1b definierten Schnittebene bei

einem Schweißstrom IS = 1 kA, fI,S =50 Hz a) als Betrag des Raumvektors b) als vektoriell addierte Summe der je Koordinatenrichtung über 1 cm2 gemittelten Werte

Hierfür wird der Schweißstrom einer harmonischen Analyse unterzogen, welche nach Aus-schluss aller Anteile unterhalb eines zuvor definierten Wertes auf ein Abbild des Spektrums führen. Diese Methode lässt sich, begrenzt durch die Bandbreite der Messaufnehmer, auf alle Stromformen, auch z.B. auf die von Invertermaschinen erzeugten, anwenden. In der Si-mulation lassen sich durch Setzen korrespondierender Frequenzpunkte dann die jeweils in-duzierten elektrischen Feldstärken und damit auch Stromdichten im menschlichen Körper bestimmen. Zur Bewertung schreiben die ICNIRP Guidelines (Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields (1 Hz to 100 kHz), International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, Dezember 2010) mindestens die Überlagerung entspre-chend Gl. (3.12) mit der konservativen Annahme gleichzeitigen Auftretens der Maxima aller

3. Forschung 138

Harmonischen mit Effektivwert Ei,j vor. EG,j ist dabei der bei der jeweiligen Frequenz benann-te effektive Basisgrenzwert. Die Anwendung kann gleichsam auf abgeleitete Referenzwerte erfolgen.

11

1 ,

,

MHz

Hzf jG

ji

E

E (3.12)

Bei bekanntem Winkel Ѳj der Harmonischen mit den Amplituden Aj bieten die ICNIRP Guide-lines die Möglichkeit einer realistischen Bewertung entsprechend Gl. (3.13) im Zeitbereich. Der Winkel φj stellt hierbei einen Filterwinkel dar, dessen Ableitung aus dem kontinuierli-chen Frequenzgang der benannten Grenzwerte die Vorschrift beschreibt.

1 cosˆ

,

j

jjj

jG

j tE

A (3.13)

Bild 3.98: Spektrum des sekundärseitigen Stroms einer Wechselstrom-Widerstands-

schweißmaschine bei schrittweise erhöhter Leistungsvorwahl P = 40 %, 50 %, 60 % und Erfassung von vier Netzperioden

Bild 3.98 zeigt das Beispiel eines auf fI,S = 50Hz normierten Stromspektrums einer Wechsel-strom-Widerstandsschweißmaschine. Deutlich erkennbar ist die erwartungsgemäße Kon-zentration der Spektralanteile für ansteigende Leistungsvorwahl. Aus der einmaligen, schrittweisen Erfassung des Maschinenstroms über deren gesamten Leistungsbereich lässt sich so gleichzeitig die Information über die spektrale Veränderung des sie umgebenden magnetischen Wechselfeldes treffen. Damit ist das Feld im gesamten Leistungsbereich, für jeden einmal bei bekannter Leistung vermessen Raumpunkt bekannt.

Mit den angewendeten Analysestrategien lassen sich aus den erfassten Daten realer Ma-schinen, den Ergebnissen von Simulationen mit menschlichen Körpermodellen sowie durch Einbindung analytischer Berechnungsmethoden geeignete Datenstrukturen für ein umfas-sendes Referenzsystem gewinnen.

3. Forschung 139

3.3.3 Promotionen

Dr.-Ing Donald Dibra: Single Pulse Safe Operating Area of Trench Power MOSFETs in Automotive Power Integrated Circuits

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. A. Lindemann, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg - Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. J. Lutz, Technische Universität Chemnitz

verteidigt am 29.11.2011

Von neuen Generationen der Smart Power Integrierten Schaltungen wird erwartet, dass sie eine höhere Leistung zu niedrigeren Kosten erbringen als ihre Vorgängergenerationen. In den letzten Jahren wurden diese sich widersprechenden Ziele erreicht, indem die Strukturbreiten reduziert und neuartige Leistungs-MOSFET Konzepte eingeführt wurden. Ein Beispiel für solch neuartige Konzepte sind Trench-Leistungs-MOSFETs. Ihre Einführung in den Smart Power Technologien ist in den letzten Jahren aufgrund ihres geringen spezifischen Widerstandes (Widerstand mal Fläche), R on x A, zu einem aktiven Entwicklungsfeld geworden. Mit jeder Generation sind Leistungs-MOSFETs, aufgrund erhöhter Leistungsdichten und Anwendungsanforderungen, steigenden Belastungen ausgesetzt. Infolgedessen liegen die elektrischen Arbeitspunkte der Leistungs-MOSFETs immer näher an den physikalischen Grenzen, welche auch die Grenzen des sicheren Arbeitsbereichs (Englisch: Safe Operating Area, SOA) definieren. Anspruchsvolle Anwendungsanforderungen sind z.B. Kurzschlussanforderungen an Smart Leistungsschaltern für Automobilanwendungen. Bei Mehrpulsbelastungen wird die Produktzuverlässigkeit meist durch das Gehäuse oder die Metallisierung und die Bonddrähte bestimmt. Bei Einzelpulsbelastung treten die Ausfälle jedoch meist im Bauteil auf. Die Einzelpulsausfälle stehen in Zusammenhang mit der Selbsterwärmung und dem thermischen Weglaufen des Leistungs-MOSFETs und definieren die Grenzen der elektro-thermischen SOA.

Diese Arbeit untersucht die Grenzen der SOA von Trench-Leistungs-MOSFETs, die in einer Smart Power Technologie für Automobilanwendungen integriert sind.

Näher untersucht werden Einzelpulsbelastungen, die zur Zerstörung des Bauteils führen und in Zusammenhang mit dem thermischen Weglaufen stehen. Nach einem kurzen Überblick über die in Automobilanwendungen eingesetzten Smart Power IC Technologien werden die elektrischen Eigenschaften des Trench-Leistungs-MOSFETs, welcher Gegenstand dieser Arbeit ist, vorgestellt. Die Eingangskennlinien des untersuchten Trench-Leistungs-MOSFETs, gemessen bei verschiedenen Temperaturen zeigen einen temperaturunabhängigen Punkt, den so genannten Temperature Compensation Point, TCP. Unterhalb dieses Punktes nimmt der Drain Strom mit steigender Temperatur zu und oberhalb dieses Punktes nimmt er mit steigender Temperatur ab. Des Weiteren werden Leistungs-MOSFETs mit integrierten Schutz- und Diagnosefunktionen, die als Smart Leistungsschalter verwendet werden, erklärt und der Begriff SOA beschrieben. Smart Leistungsschalter verwenden einen integrierten Temperatursensor um die Temperatur des Leistungs-MOSFETs zu messen. Das Bauteil wird

3. Forschung 140

bei Kurzschluss- oder Überlastsituationen vor Zerstörung geschützt, indem der Leistungs MOSFET bei Überschreitung eines bestimmten Temperaturwertes ausgeschaltet wird. Die vom Sensor gemessene Temperatur ist aber immer niedriger als die höchste Temperatur im Leistungs-MOSFET, der Temperatur des so genannten hot spots. Für die optimale Schutzfunktion und Zuverlässigkeit des Bauteils ist daher die Kenntnis der Differenz zwischen der maximalen Temperatur im Leistungs-MOSFET und der vom Temperatursensor gemessenen Temperatur erforderlich. Des Weiteren wird die Leistungsfähigkeit des Temperatursensors in Abhängigkeit seiner Größe untersucht. Einerseits wird die Leistungsfähigkeit des Temperatursensors als Differenz zwischen der vom Sensor gemessenen Temperatur und der tatsächlichen hot spot Temperatur des Bauteils definiert, und andererseits ist mit Leistungsfähigkeit die Zeitverzögerung gemeint, mit welcher der Temperatursensor eine bestimmte hot spot Temperatur misst. Als Alternative zu den heutzutage verwendeten pn-Dioden basierten Temperatursensoren, werden Differenztemperatursensoren, AT-Sensoren, die auf den Seebeck-Effekt basieren, entwickelt und ausgewertet. Weiteres werden diese in Übertemperatur und AT Schutzschaltungen eingesetzt. Der Hauptteil dieser Arbeit untersucht die Entstehung des thermischen Weglaufens in einem Trench-Leistungs-MOSFET und die Phänomene die dazu führen. Temperaturmessungen in der Mitte des Leistungs-MOSFETs zeigen einen Wendepunkt in den Messdaten. Der Wendepunkt deutet auf das Einsetzen des thermischen Weglaufens hin und somit auf den Beginn der elektro-thermischen Instabilität. Das Bauteil ist elektro-thermisch instabil, wenn die Änderung der elektrisch erzeugten Leistungsdichte mit der Temperatur größer ist als die Änderung der thermisch abgeführten Leistungsdichte mit der Temperatur. Der Wendepunkt in der Temperatur ist für verschiedene Arbeitspunkte unterschiedlich, auch wenn diese die gleiche Verlustleistung haben. Unterhalb des TCP tritt der Wendepunkt bei einer geringeren Temperatur auf als oberhalb des TCP. Um dieses Verhalten zu untersuchen werden experimentelle Daten und ein analytischer Ansatz präsentiert. Für die analytische Untersuchung werden die Temperaturabhängigkeit des MOS Kanalstroms und die Temperaturabhängigkeit des Leckstroms vom parasitären npn Bipolar Transistor berücksichtigt. Der in den gemessenen Temperaturdaten auftretende Wendepunkt stimmt mit den Ergebnissen aus der analytischen Stabilitätsfaktoruntersuchung gut überein. Das thermische Weglaufen wird auch mittels elektro-thermischen Simulationen untersucht. Spezielle Teststrukturen mit integrierten Temperatur- und Stromsensoren werden verwendet, um die Temperatur- und Stromdichteverteilung im Leistungs-MOSFET zu messen.

3. Forschung 141

3.3.4 Habilitationen

Dr.-Ing. habil. Oliver Drubel: Converter Applications and their Influence on Large Electrical Machines

Gutachter

- Prof. Dr.-Ing. W. Hofmann, Technische Universität Dresden - Prof. Dr.-Ing. K. Reichert, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich - Prof. Dr.-Ing. A. Lindemann, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

verteidigt am 21.11.2011 an der TU Dresden


Zeitschriften- und Konferenzbeiträge

[1] R. Döbbelin, T. Winkler, A. Lindemann: Influence of the Design of Resistance Welding Equipment on the Evaluation of Magnetic Field Exposure of Operators; Progress In Electromagnetics Research Symposium – PIERS, Marrakesh, 2011

[2] M. Benecke, R. Döbbelin, G. Griepentrog, A. Lindemann: Skin Effect in Squirrel Cage Rotor Bars and Its Consideration in Simulation of Non-steady-state Operation of Induction Machines; Progress In Electromagnetics Research Symposium – PIERS, Marrakesh, 2011

[3] A. Lindemann: Power semiconductors for automotive applications; Automotive Power Electronics Conference – APE 2011, Montigny-le-Bretonneux

[4] A. Lindemann: Entwicklungstendenzen beim Einsatz von Bauelementen aus Silizium-Karbid und Gallium-Nitrid in der Leistungselektronik; Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendungen, Vorträge der 6. ETG-Fachtagung in Bad Nauheim 2011, ETG-Fachbericht 128, VDE Verlag Berlin/Offenbach

[5] M. Benecke, G. Griepentrog, A. Lindemann: Consideration of Current Displacement in Rotor Bars of Soft Starting Induction Machines; PCIM Conference, Nürnberg, 2011

[6] I. Merfert, A. Lindemann: Design Limits of Power Converters for Electrical Energy Storage Elements in Fuel-Cell-Based Distributed Generation; PCIM Conference, Nürnberg, 2011

[7] Y. Bessarab, A. Lindemann: Control of DC/DC Converters for Decentralized Power Generation Systems; PCIM Conference, Nürnberg, 2011

[8] S. Schulz, P. Kanschat, A. Lindemann: Modeling of Inverter EMI Characteristics using Switching Waveform Analysis; PCIM Conference, Nürnberg, 2011

3. Forschung 142

[9] A. Lindemann: Leistungselektronik mit Bauelementen aus Silizium-Karbid und Gallium-Nitrid; ETG-Mitgliederinformation, Nr. 2/2011, Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG), Frankfurt (Main), Juli 2011

[10] Y. Bessarab, A. Lindemann: Dimensioning a bidirectional DC/DC converter for batteries; Power Electronics and Energy Efficiency Conference, Alushta, 2011

[11] F. Grieger, Q. Gu, A. Lindemann: Methode zur anwendungsspezifischen Qualifizierung der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleiter-Bauelementen in automotiven Anwendungen; 10. Magdeburger Maschinenbau-Tage, Magdeburg, 2011

[12] R. Zárate, H. Wetzel, A. Lindemann: Auslegung und Bewertung einer Schaltungstopologie für einen Elektrofahrzeugantrieb mit integrierter Batterieladefunktion; 10. Magdeburger Maschinenbau-Tage, Magdeburg, 2011

[13] D. Dibra, M. Stecher, S. Decker, A. Lindemann, J. Lutz, C. Kadow: On the Origin of Thermal Runaway in a Trench Power MOSFET; IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. 58, Nr. 10, S. 3477-3484, Oktober 2011

[14] X. Liu, A. Lindemann: Nachhaltige Energieversorgung und Energieeffizienz mit Leistungselektronik; 3. Elektronik Ecodesign Congress, München, 2011

[15] A. Lindemann: 4th ECPE SiC\& GaN User Forum – Potential of Wide Bandgap Semiconductors in Power Electronic Applications; Bodo's Power Systems, Nr. 11/2011, S. 18-19, ISSN 1863-5598, A Media, Laboe

[16] M. Benecke, G. Griepentrog, A. Lindemann: Berechnungsmethode zur Bestimmung des instationären Verhaltens von permanentmagneterregten Synchronmaschinen am Drehstromsteller; Internationaler ETG-Kongress – Fachtagung Energieeffizienz in Anwendungen der Antriebstechnik und Leistungselektronik in Industrie, Haushalten und Gebäudetechnik, Würzburg, 2011, ETG-Fachbericht 130, VDE Verlag Berlin/Offenbach

[17] F. Grieger, A. Lindemann: Verfahren zur anwendungsspezifischen Sicherstellung der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleiter-Bauelementen; Internationaler ETG-Kongress – Fachtagung Energieeffizienz in Anwendungen der Antriebstechnik und Leistungselektronik in Industrie, Haushalten und Gebäudetechnik, Würzburg, 2011, ETG-Fachbericht 130, VDE Verlag Berlin/Offenbach

[18] R. Zárate, H. Wetzel, A. Lindemann: Automatisierter Entwurf und Analyse von Topologiekonzepten für die Integration der Batterieladefunktion in den Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen; Internationaler ETG-Kongress – Fachtagung Energieeffizienz in Anwendungen der Antriebstechnik und Leistungselektronik in Industrie, Haushalten und Gebäudetechnik, Würzburg, 2011, ETG-Fachbericht 130, VDE Verlag Berlin/Offenbach

[19] M. Benecke, L. Middelstädt, G. Griepentrog, A. Lindemann: Ramp-up of Permanent Magnet Synchronous Machines with Three-phase AC Controller; SPS/IPC/DRIVES Kongress, Nürnberg, 2011

3. Forschung 143

Beiträge zu Kolloquien u. a. Vorträge

[1] W. Fischer: Abhängigkeit der geleiteten Störemissionen von Stromversorgungen von Beschaltung und Steuerverfahren; Halbleiter-Leistungsbauelemente und ihre systemtechnische Anwendung, Freiburg i. Br., 24.-25.10.2011

[2] R. Döbbelin: Bestimmung der Streuinduktivität von Transformatoren; ECPE Cluster-Seminar Induktivitäten in der Leistungselektronik, Nürnberg, 5.-6.10.2011

3. Forschung 144

3.4 Institutsebene

3.4.1 Kooperationen

Honorarprofessur an der TU Wroclaw.

Am 1. Oktober fand an der Technischen Universität Wroclaw/ Polen die feierliche Immatrikulation an der Fakultät für Elektrotechnik statt. Sehr ungewöhnlich war dieses Mal allerdings, dass gleich zwei Rektoren an dem Fakultätsereignis teilgenommen haben: Prof. Dr. Tadeusz Wieckowski, JM Rektor der TU Wroclaw und Prof. Dr. Klaus-Erich Pollmann Rektor der OvGU.

Anlass dafür war einerseits die Vergabe der letzten Doppeldiplome in der ersten Edition an zwei Studenten die sowohl in Magdeburg als auch in Wroclaw ihren Abschluss erlangt haben.

Die deutsche Delegation bestand aus mehreren Professoren der FEIT. Bei der Eröffnung des Studienjahres in Wroclaw lobten die beiden Rektoren das gelungene Projekt, das auch durch das deutsche Konsulat in Wroclaw und das polnische in Berlin unterstützt wurde.

Im Rahmen der Veranstaltung wurden weiterhin Honoris vergeben. Der Rektor der TU Wroclaw bekam unter anderem die Medaille der Freunde und Förderer der OvGU und der Dekan der FET der TU Wroclaw die Ehrenplakette des Senats überreicht.

Als Anerkennung der langjährigen Kooperation der beiden Universitäten wurde Herr Prof. Z. A. Styczynski zum Honorarprofessor an die TU Wroclaw berufen und wird dort in Zukunft Vorlesungen zur Energietechnik halten.

Aufenthalte ausländischer Wissenschaftler

Prof. Krzysztof Siodla aus TU Pozen in Polen – 25.-28.07.2011

3.4.2 Technische Gremien und Verbände

Prof. Lindemann:

- Senior Member des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE),

Member-at-Large der Power Electronics Society (PELS)

- Associate Editor at Large der IEEE Transactions on Power Electronics

- Counselor der IEEE Student Branch”Otto von Guericke“, Magdeburg

- Past Chairman 2005-2006 des Joint IAS/PELS/IES German Chapters

- Mitglied von VDE und ETG sowie des Fachbereichs Q1 der ETG

- Mitglied des International Steering Committees der European Power Electronics

and Drives Association (EPE)

- Mitglied des Fachbeirates der Konferenz PCIM (=Power Conversion, Intelligent

Motion)

3. Forschung 145

Prof. Styczynski:

- VDE ETG V2, Mitglied

- VDE ETG, Mitglied

- CIGRE NC SC 6, Stellvertreter

- CIGRE WG C6.15 Electric Energy Storage, Chairmann

- FNN-M-NS-Forum, Mitglied

- ZERE e.V., Vorstandsvorsitzender

- CRIS International Institute, President

- IEEE, Senior Member

3.4.3 Kolloquien

LENA-Kolloquien

Beitrag von Dipl.-Ing. Ines Hauer

Am 20. Januar waren die Mitarbeiter des Lehrstuhls „Elektrische Netze und Alternative Elektroenergiequellen“ von der E.ON Avacon zu einem gemeinsamen wissenschaftlichen Kolloquium zum Thema „Smart Grids“ in der neuen Netzleitwarte in Salzgitter eingeladen. Die bereits enge Zusammenarbeit in den Projekten RegModHarz (E-Energy) und Harz.EE-mobility bildet eine gute Basis für den Austausch zu weiteren interessanten wissenschaftlichen Themen. Im Rahmen des Kolloquiums hatten die wissenschaftlichen Mitarbeiter des Lehrstuhls die Möglichkeit die neue Netzleistelle von E.ON Avacon zu besichtigen. Diese übernimmt als eine der modernsten Netzleitstellen Deutschlands sowohl das Monitoring und die Koordination des elektrischen als auch des Gasnetzes.

Bild 3.99: LENA-Gruppe bei E.ON-Avacon in Salzgitter

3. Forschung 146

Am 17.02.2011 besuchte Herr Klaus Trescher die OvGU. Er ist seit Oktober 2010 Leiter der Entwicklung Siemens Energie automation und koordiniert weltweit über 900 Entwickler und Forscher. Die Doktoranden des LENA stellten den Vertretern der Siemens AG aus Berlin und Nürnberg unter der Leitung von Herrn Professor Styczynski ihre aktuellen Forschungsergebnisse aus größtenteils gemeinsamen Projekten vor. Im Vordergrund standen Themen aus den Bereichen des Smart Grids wie Netzbeobachtbarkeit, die Informations- und Kommunikationstechnik für Elektromobilität und die Netzintegration von Offshore-Windparks.

Bild 3.100: Gruppenbild mit Siemens vor Gebäude 09

Diesem folgten weitere Kolloquien mit Vertretern weiterer Unternehmen wie Dr. Olaf Ruhle ebenfalls von der Siemens AG Erlangen, Dr. Karsten Burges der Ecofys Germany GmbH, Frau Prof. Antje Orths, Professorin für Windenergie an der OvGU und Senior Ingenieur der Energinet.dk, Dr. Bernd Buchholz von NTB sowie Herr Michael Kranhold von der 50 Hertz Transmission GmbH.

LENA-Jahreskolloquium

Bericht von André Naumann

Vom 05. bis 08. September 2011 wurde von den Angehörigen des Lehrstuhls für elektrische Netze und alternative Elektroenergiequellen das Jahreskolloquium durchgeführt. Ort des Kolloquiums war Binz auf Rügen, wo ein Hotel mit Tagungsraum als Tagungsort diente. Neben den Angehörigen des Lehrstuhls waren auch externe Gäste eingeladen, den Vorträgen der Mitarbeiter zuzuhören. So entstand ein reger thematischer Austausch mit den Gästen von NTB Technoservice Export-Import e. Kfr. und der 50Hertz Transmission GmbH.

Jeder Vortragende erhielt die Möglichkeit seine wissenschaftlichen Arbeiten ausführlich vorzustellen und mit den Kolloquiumsteilnehmern zu diskutieren. Der Umfang der Vorträge und der Diskussionen zeigte die fachliche Breite, in der Lehrstuhl aufgestellt ist und die Tiefe der Bearbeitung der jeweiligen Themen.

3. Forschung 147

Bild 3.101: LENA Jahreskolloquium

Da auch das Wetter während des Kolloquium sehr angenehm war, wurden neben den Vorträgen auch weitere Gruppenaktivitäten unternommen. So konnte man während einer Bootsfahrt vom Sassnitzer Stadthafen bis zum Kap Arkona die Kreideküste der Insel von der Seeseite aus betrachten und den Wind auf See genießen.

Der letzte gemeinsame Abend des Kolloquiums wurde durch ein gemeinsames Lagerfeuer am Strand zu einem gelungenen Ausklang der Veranstaltung.

12. Workshop des Dresdener Kreises „Elektroenergieversorgung“ in Hannover


Vom 28. bis 29. März 2011 fand das zwölfte Treffen des Dresdener Kreises „Elektroenergieversorgung“ statt. In diesem Jahr waren die vier beteiligten Hochschulen aus Duisburg, Dresden, Hannover und Magdeburg im Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik an der Leibnitz Universität Hannover zu Gast.

Das wissenschaftliche Programm wurde in bewährter Weise durch acht Fachvorträge zu aktuell interessierenden Themen aus der Forschung durch junge Wissenschaftler gestaltet.

Diese Vorträge und die dazu geführten sehr offenen Diskussionen und die Pausengespräche dienen dem Austausch von Ideen über die Grenzen der wissenschaftlichen Einrichtungen hinaus und befruchten so die wissenschaftliche Arbeit.

Ergänzend zu dem traditionellen Vortragsprogramm berichtete ein Mitarbeiter des Energieversorgungsunternehmens E.ON-Avacon AG über einen aktuellen Feldversuch zur Gestaltung der Stromnetze der Zukunft.

Die anregenden Gespräche und Diskussionen wurden am Abend nach einer Besichtigung der HBX-Stadtbrauerei mit entsprechender Probenverkostung bei einem gemütlichen Abendessen fortgesetzt.

3. Forschung 148

Die Besichtigungstour des zweiten Tages führte dann zunächst in die Geschichte des Hauptbahnhofes von Hannover und seine Katakomben. Anschließend konnte dann ebenfalls unter der Erde eine Schaltanlage der enercity Netzgesellschaft Hannover unter den Straßen von Hannover besichtigt werden.

Den Abschluss des diesjährigen Treffens bildete dann ein ausgedehntes Mittagessen im Bavarium.

Die wissenschaftlichen Vorträge dieses Workshops sind als Tagungsband „Dresdener Kreis Elektroenergieversorgung 12“ zusammengefasst und veröffentlicht und können dort nachgelesen werden.

Weitere Aktivitäten

27.-28.10.2011 in Delft/Niederlande - Teilnahme an 7th PhD EAWE Treffen – Teilneh-mer: Fr. Moskalenko, H. Guo, H. Mau-Nguyen, Dr. Rudion

Documents

Jahresbericht 2011 Institut für Elektrische Energiesysteme · über unser Institut im Internet unter ... FhG-IFF Magdeburg: Test- und Messverfahren Dr.-Ing ... Folkhart Grieger M