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Einsatz der Virtuellen Synchronmaschine (VISMA) als Unterbrechungsfreie Stromversorgung im Netzparallel- und Inselnetzbetrieb
Full text linkDie angestrebte Reduktion der Treibhausgasemissionen im Sinne des Klimaschutzes bringt einen drastischen Wandel des Energiesystems mit sich. Zur Stromerzeugung werden immer mehr umrichterbasierte Erzeugungsanlagen eingesetzt, die insbesondere aus Sonne und Wind elektrische Energie bereitstellen. Mit der steigenden Anzahl an Umrichtern im Netz sinkt jedoch der Anteil an konventionellen Kraftwerken mit elektromechanischen Synchronmaschinen mit ihren inhärent vorhandenen stabilisierenden Eigenschaften. Zukünftig müssen somit Umrichter diese Aufgaben übernehmen. Hierzu sind neuartige Schaltungs- und Regelkonzepte nötig, die sogenannten netzbildenden Umrichter. Neben ihrem Beitrag zur Systemstabilität im Netzparallelbetrieb können sie im Inselnetzbetrieb in kleinen (Teil-)Netzen (Microgrids) netzbildend agieren und Lasten weiterversorgen, trotz Ausfall des vorgelagerten Netzes. Der elementaren Umrichterregelung sind Statiken überlagert, hierdurch lassen sich andere Erzeuger einfach einbinden und eine Leistungsaufteilung ohne zusätzliche Kommunikation ermöglichen. Die bisherigen Untersuchungen fokussierten sich auf diese beiden Fälle, also entweder den Netzparallel- oder den Inselnetzbetrieb. Für ein stabiles System ist es jedoch ebenso wichtig, dass Fehlerfälle beherrscht werden können. Hieraus ergibt sich die Idee zur Erweiterung des Einsatzes eines netzbildenden Umrichters als unterbrechungsfreie Stromversorgung. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze netzbildender Umrichter vorgestellt, untersucht und verglichen: Die Virtuelle Synchronmaschine (VISMA) und der Voltage Controlled Inverter (VCI). Es wird ein Simulationsmodell in MATLAB/Simulink aufgebaut und beide Umrichterkonzepte in den normalen Netzzuständen Netzparallel- und Inselnetzbetrieb getestet. Der Fokus liegt auf dem netzdienlichen Verhalten zur Frequenz- und Spannungshaltung durch die instantane Bereitstellung von Momentanreserve, sowie Frequenzstützung durch eine Primärregelung und blindleistungsabhängige Spannungshaltung. Die Netzbildung ist Kernthema im Inselnetzbetrieb, unter den Bedingungen, die identische Regelung wie im Netzparallelbetrieb zu nutzen und weitere Erzeugungsanlagen ohne zusätzliche Kommunikation einbinden zu können. Außerdem werden die Fehlerfälle Netzausfall, Kurzunterbrechungen und Kurzschlüsse betrachtet. Wie gezeigt wird, weist hierbei die VISMA ein robusteres Verhalten auf, dementsprechend wird im Folgenden ausschließlich dieses Konzept weiter verfolgt. Das vorgestellte VISMA-Modell mit seiner überlagerten Statikregelung wird anschließend auf einem echtzeitfähigen Prüfstand implementiert und damit das Simulationsmodell validiert. Um im Sinne einer USV-Anlage eine Last nicht nur weiterversorgen, sondern auch vor netzseitigen Fehlern schützen zu können, wird eine Kurzschlussregelung entwickelt, die bis zur Abtrennung des Netzfehlers die Last vor vollständiger Spannungsunterbrechung schützen kann. Diese zusätzliche Regelung basiert auf dem aktiven Umschalten der Statorparameter im VISMA-Modell, sobald der Kurzschluss erkannt ist. So kann die VISMA gleichzeitig in den Kurzschluss speisen und die Last versorgen, es wird Zeit gewonnen den Fehler zu klären oder vom Netz abzutrennen. In dieser Arbeit beschreibt und vergleicht die Verfasserin das Verhalten von VISMA und VCI in verschiedenen Netzzuständen und verdeutlicht deren möglichen Beitrag zur Systemstabilität von Netzen der Zukunft. Außerdem zeigt sie eine neuartige Möglichkeit auf, wie die VISMA ihren Einsatzbereich erweitern kann, ohne die positiven netzdienlichen Eigenschaften für die Systemstabilität zu verlieren. Diese Arbeit kann damit zur Erhöhung der Versorgungssicherheit durch neuartige Betriebsmittel im zukünftigen Netz mit großem Anteil netzbildender Umrichter beitragen.The targeted reduction in greenhouse gas emissions in the interests of climate protection is bringing about a drastic change in the energy system. More and more inverter-based generation systems are being used to generate electricity, which provide electrical energy from the sun and wind in particular. However, with the increasing number of inverters in the grid, the proportion of conventional synchronous machines with their inherent stabilising properties is decreasing. In the future, inverters will therefore have to take over these tasks. This will require new circuit designs and control concepts, the so-called grid-forming inverters. In addition to their contribution to system stability in parallel grid operation, they can act as grid-forming inverters in small (sub)grids (microgrids) in island grid operation and continue to supply loads despite the failure of the grid. The basic inverter control is overlaid with statics, which allows other generators to be easily integrated and enables power distribution without additional communication. Previous investigations have focussed on these two cases, i. e. either parallel grid operation or island grid operation. However, it is equally important for a stable system that faults can be managed. This gives rise to the idea of extending the use of a grid-forming inverter as an uninterruptible power supply. This thesis presents, analyses and compares two approaches to grid-forming inverters: The Virtual Synchronous Machine (VISMA) and the Voltage Controlled Inverter (VCI). A simulation model is set up in MATLAB/Simulink and both inverter concepts are tested in the normal grid states of grid-parallel and islanded grid operation. The focus is on the grid-supporting behaviour for frequency and voltage maintenance through the instantaneous provision of inertia, as well as frequency support through primary control and reactive power-dependent voltage maintenance. Grid forming is the core issue in islanded grid operation, under the conditions of being able to use the identical control as in parallel grid operation and to integrate additional generation plants without extra communication. In addition, the fault cases of grid failure, short interruptions and short circuits are considered. The VISMA exhibits a more robust behaviour here, so only this concept will be pursued further in the following. The VISMA model presented with its superimposed droop control is then implemented on a real-time capable test bench, thereby validating the simulation model. In order to be able to not only continue to supply a load in the sense of a UPS system, but also to protect it from grid-side faults, a short-circuit control is developed that can protect the load from complete voltage interruption until the grid fault is isolated. This additional control is based on the active switching of the stator parameters in the VISMA model as soon as the short circuit is detected. This allows the VISMA to feed into the short circuit and supply the load at the same time, gaining time to clear the fault or disconnect it from the grid. In this thesis, the author describes and compares the behaviour of VISMA and VCI in different grid states and illustrates their potential contribution to the system stability of future grids. In addition, she highlights a novel way in which VISMA can expand its range of applications without losing its positive grid-supporting properties for system stability. This work can thus contribute to increasing supply reliability through novel equipment in future grids with a large proportion of grid-forming inverters
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Understanding Braess’ Paradox in power grids
Full text linkThe ongoing energy transition requires power grid extensions to connect renewable generators to consumers and to transfer power among distant areas. The process of grid extension requires a large investment of resources and is supposed to make grid operation more robust. Yet, counter-intuitively, increasing the capacity of existing lines or adding new lines may also reduce the overall system performance and even promote blackouts due to Braess’ paradox. Braess’ paradox was theoretically modeled but not yet proven in realistically scaled power grids. Here, we present an experimental setup demonstrating Braess’ paradox in an AC power grid and show how it constrains ongoing large-scale grid extension projects. We present a topological theory that reveals the key mechanism and predicts Braessian grid extensions from the network structure. These results offer a theoretical method to understand and practical guidelines in support of preventing unsuitable infrastructures and the systemic planning of grid extensions
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Quantifizierung von Rußpartikeln durch Kombination von elektrostatischen Feldeinflüssen
Full text linkIn dieser Doktorarbeit werden die theoretischen Grundlagen für einen elektrostatisch arbeitenden Sensor für elektrisch leitende, luftgetragene Partikel dargelegt und am Beispiel von Rußpartikeln durch Experimente verifiziert. Es wird die Arbeitsweise des Sensors in einem mathematischen Modell abgebildet.
Es werden die Kräfte definiert und berechnet, die auf die Partikel einwirken, um eine gezielte Bewegung hervorzurufen. Die durch das elektrische Feld influenzierte Ladungstrennung innerhalb der Partikel, die eine resultierende Kraftwirkung in Richtung des stärker werdenden Feldes hervorrufen, ist nicht wesentlich für Partikelbewegung. Die für einen Antrieb eines Partikels wesentlichste Eigenschaft ist dessen Eigenladung, die, in Wechselwirkung mit dem äußeren elektrischen Feld, die stärkste Kraft liefert.
Desweiteren wird gezeigt, dass die Anzahl der auf der Messelektrode angelagerten Partikel, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases ist.
Die an der Messelektrode angelagerten Partikel agglomerieren zu Dendriten, an deren Spitzen sich elektrische Ladungen konzentrieren. Durch das Abreißen der Dendriten wird deren Ladung von der Messelektrode abtransportiert. Der durch den Ladungs¬abtransport erzeugte Strom, in der Größen¬ordnung von Pico-Ampere, ist proportional zur Ru߬konzen-tration. Es wird durch Berechnung ermittelt, dass das Rußladungs-Messverfahren im Bereich von 40nm bis ca. 400nm unabhängig von der Partikelgröße arbeitet.
Ein Partikelsensor wurde hergestellt, vermessen und berechnet.
Die theoretischen Erkenntnisse bezüglich der Unabhängigkeit des Messsignals von der Gasgeschwindigkeit und der quadratischen Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke zwischen den Elektroden des Sensors, können im Versuch bestätigt werden.This paper derives the theoretical fundamentals for an electrostatically operating sensor measuring airborne electrically conductive particles and verifies the results by experiments using the example of smoke (soot) particles. The operation behavior of the sensor will be realized in a mathematical model.
The forces that act on the particles are defined and calculated in order to cause a targeted movement. The charge separation within the particles, influenced by the electrical Field, which causes a resulting force effect in the direction of the increasing field, is not essential for particle movement. The most important property for driving a particle is the own charge, which, in interaction with the external electrical field, provides the strongest force.
Furthermore, it is shown that the number of particles deposited on the measuring electrode, is independent of the flow velocity of the carrier gas.
The particles, attached to the measuring electrode, agglomerate and forming dendrites, at the tips of which electrical charges are concentrated. Caused by increasing forces the dendrites are torn off and transport away their electrical charge from the measuring electrode. The current generated by the charge removal, in the order of pico-ampere, is proportional to the soot concentration. It is determined by calculation that the soot charge measuring method operates in the range of particle diameters between 40nm up to 400nm independent of particle size.
A particle sensor was manufactured, field tested and proved by a mathematical model.
The theoretical findings concerning the independence of the measured signal from gas velocity and the quadratic dependency on the electrical field strength between the electrodes of the sensor can be confirmed in the experiment
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