Auslegung von Regelungssystemen industrieller Gleichspannungs-Mikronetze

Abstract

Der elektrische Energiebezug in der Industrie wird zu rund zwei Dritteln mit elektrischen Maschinen in mechanische Energie umgewandelt. Ein wachsender Anteil dieser Antriebe wird mit Leistungswandlern betrieben, deren verlustbehaftete Energiewandlung Gleichstrom als eine Zwischenstufe nutzt. Motiviert durch das Potenzial, diese Verluste an den Wandlungsstellen zu reduzieren, Energie aus Produktionsprozessen in das Versorgungssystem zurückzuführen - und somit Energie einzusparen - sowie regenerative Energiequellen vor Ort in das Versorgungssystem zu integrieren, kommt der Einsatz von industriellen Gleichstrom-Mikronetze als Lösungsansatz auf. Erst der Ausgleich von Leistungsbezug und -erzeugung stellt die Versorgungsaufgabe eines elektrischen Netzes sicher. Die von Lasten bezogene Leistung und die Einspeiseleistung muss aktiv in ein Gleichgewicht geführt werden. Ein Regelungssystem ist notwendig. Das Regelungssystem des Wechselstrom-Verbundnetzes liegt in der Hand der Übertragungsnetzbetreiber und betrachtet industrielle Endverbraucher als volatile Lasten, sodass industrielle Wechselspannungsanlagen heutzutage kein lokales Regelungssystem betreiben. Die Gleichspannungszwischenkreise von Antriebssystemen in Produktionsanlagen besitzen ein Regelungssystem, das aber keine lokalen und parallel betriebenen Energiequellen einbezieht. Soll nun lokal, in einer Produktionshalle oder für ein ganzes Industriewerk ein Mikronetz eingesetzt werden, um Wandlungsverluste einzusparen und/oder lokale Energiequellen einzubinden, ist es notwendig, ein Regelungssystem dafür zu entwickeln. Neben der grundlegenden Regelungsarchitektur muss das Regelungssystem individuell je nach Anwendungsfall ausgelegt werden. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der zentralen Forschungsfrage: Wie kann ein Regelungssystem für ein industrielles Gleichspannungs-Mikronetz ausgelegt werden mit dem Ziel, Leistungsgleichgewicht und Leistungsaufteilung zu erreichen? Die Arbeit führt zunächst in elektrische Versorgungssysteme und den Einsatz von Leistungselektronik in der Industrie ein. Die Problemstellung und der Forschungsbedarf werden dargelegt und die Zielsetzung sowie die Forschungsfragen, die den Aufbau der Arbeit leiten, vorgestellt. In den Grundlagen wird der Betrachtungsrahmen der Arbeit definiert und in wesentliche Theorien eingeführt. Anhand verwandter und übertragbarer Ansätze zur Regelung von Gleichspannungs-Mikronetzen werden die Anforderungen an das Regelungssystem und die Auslegung abgeleitet. Der sich daraus ergebende Handlungsbedarf wird diskutiert. Zur Beantwortung der zentralen Forschungsfrage wird ein Vorgehensmodell zur Auslegung entworfen. Dieses wird anschließend in den Fallbeispielen einer Roboterzelle und einer Hallenversorgung erprobt. Die Arbeit schließt mit der Bewertung der Anforderungen und der zusammenfassenden Beantwortung der Forschungsfragen. Der gefundene Lösungsansatz umfasst neun Prozeduren: Auslegungsmodell erzeugen, Systemverhalten identifizieren, funktionale Zustände entwerfen, Regelkennlinien bestimmen, Primärregler entwerfen, Großsignalstabilität prüfen, Netzresonanzen entkoppeln, Umschaltpunkte analysieren und Übergangsstabilität sicherstellen. Die technischen Zusammenhänge werden detailliert beschrieben und lösungsorientierte Hilfsmittel für die Auslegungsaufgabe vorgestellt. Diese werden zunächst theoretisch behandelt, wobei die wesentlichen Auslegungsregeln hergeleitet und vorgestellt werden. Für zwei reale Fallbeispiele werden die Parameter des Regelungssystems bestimmt. Theoretisches und reales Verhalten werden experimentell abgeglichen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die gefundene Lösung das reale Verhalten des Regelungssystems außerordentlich gut vorhersagen kann. Die gefundene Methode reduziert die Komplexität der Auslegung des Regelungssystems maßgeblich, da die Auslegung auf die wesentlichen Schritte reduziert wird. Die detaillierte Darstellung der physikalischen Zusammenhänge und die exakte Begründung der empfohlenen Grenzen erlaubt es, die Methode für den jeweiligen Anwendungsfall abzuwandeln. Die Methode bietet dem Projektierer einen einfachen Zugang zu relevantem Wissen bzgl. der Auslegung des Regelungssystems. Sie ermöglicht, definierte Problemstellungen des jeweiligen Anwendungsfalles zu bewerten und die notwendigen Werkzeuge zielführend und lösungsorientiert anzuwenden.

The overall electric energy consumption in industry, is converted by 67.5 percent into mechanical energy with electric drives. A growing proportion of these drives are powered by power converters, whose energy conversion uses direct current as an intermediate stage. Driven by the potential to reduce conversion points, to feed energy from production processes back into the supply system – and thus save energy – and to integrate on-site regenerative energy sources into the supply system, direct current microgrids are emerging as solution. Only if power draw and generation is balanced, the supply task of an electrical network is fulfilled. The power drawn from loads and the power fed into the grid must be actively balanced. A control system is necessary. The control system of the AC interconnected grid is in the hands of the transmission system operators and considers industrial end users as volatile loads, so that industrial AC systems do not operate a local control system today. The DC link circuits of drive systems have a control system, but it does not include local and parallel power sources. For the successful implementation of a DC microgrid, it is necessary to develop a control system. Besides the basic control architecture, the control system has to be designed individually for each application. Therefore, this thesis addresses the central research question: How can a distributed control system be designed for an industrial DC microgrid with the target to reach power balance and shared power infeed? First the thesis thematizes the state of the art for electrical supply systems and the use of power electronics in industry. The problem and the research gap and the objective are introduced as well as the research questions, which guide the structure of the work. In the groundwork, the scope of the thesis is defined and essential theories are listed. Based on related and transferable approaches to the control of DC microgrids, the requirements for the control system and the design are derived. The resulting need for action is discussed. To answer the central research question, a procedure for the design is derrived. The procedure is tested in two case studies, one including a robot cell and a second including a hall supply. The thesis concludes with an evaluation of the requirements and summarizes the answers to the research questions. The solution approach found comprises nine procedures: generate design model, identify system behavior, design functional states, determine control characteristics, design primary controller, check large-signal stability, decouple network resonances, analyze switching points and ensure transition stability. The technical interrelationships are described in detail and solution-oriented tools for the design task are presented. There are firstly described in theory, and the essential design rules are derived and presented. The parameters of the control system are determined for two real case studies. Theoretical and real behavior are compared experimentally. The results of the work show that the solution found can predict the real behavior of the control system. The found procedure reduces the complexity of the control system design significantly, since the process is reduced to the essential steps. The detailed presentation of the physical relationships and the exact justification of the recommended limits, allows the method to be modified for each particular application. The method gives the designer an easy access to the relevant knowledge for the design of the control system. It allows to evaluate known problems for the respective application case and to apply the necessary tools in a target-oriented and solution-oriented way.