Selbsteinstellende Regelung von Schwungmassenspeichersystemen in industriellen Gleichspannungszwischenkreisen

Abstract

Der industrielle Energieeinsatz ist zum Großteil auf motorische Verbraucher zurückzuführen. Die elektrische Leistung für die dynamischen Beschleunigungs- und Bremsvorgänge von Industriemaschinen müssen durch Gleichrichter vorgehalten werden, auch wenn die maximalen Leistungen nur kurzzeitig auftreten. Dies führt zu überdimensionierten Anschlussleistungen und dementsprechenden Kosten für die elektrische Versorgung. Schwungmassenspeichersysteme können dazu eingesetzt werden, die Spitzenleistungen einer Industriemaschine aus Netzsicht zu reduzieren, Bremsenergie aufzunehmen und zusätzliche Erzeugungskapazität für neuinstallierte Prozesse bereitzustellen. Die Nachrüstung eines Schwungmassenspeichersystems in einer Industriemaschine ist ein komplexer Inbetriebnahmevorgang, der mithilfe der vorliegenden Arbeit vereinfacht wird. In der Arbeit wird ein Software-Artefakt für eine selbsteinstellende Regelung von Schwungmassenspeichersystemen in industriellen Gleichspannungszwischenkreisen entwickelt. Es ermöglicht die virtuelle Inbetriebnahme eines nachgerüsteten Schwungmassenspeichersystems, bevor die Hardware des Speichersystems integriert wird. Darüber hinaus werden die relativen Potenziale der Leistungsreduktion und Nutzung von Bremsenergie simulativ bestimmt und bewertet. Das Software-Artefakt der selbsteinstellenden Regelung setzt sich aus vier Funktionsmodulen zusammen. Dazu gehören die Lastprofilerkennung, die Systemidentifikation des Frequenzumrichters der Industriemaschine, der Reglerentwurf und die Speicherregelung. Die selbsteinstellende Regelung wurde in zwei Fallbeispielen für die Lastprofile einer Werkzeugmaschine und einer Holzbearbeitungsmaschine erfolgreich validiert. Motor loads are responsible for most of the industrial energy consumption. Rectifiers must provide electrical power for the dynamic acceleration and braking processes of industrial machines, even if the maximum power only occurs for a short time. This leads to an oversized electrical power supply and corresponding costs. Flywheel energy storage systems can reduce the peak power of an industrial machine from a grid perspective, absorb braking energy and provide additional generation capacity for newly installed processes. Retrofitting a flywheel storage system in an industrial machine is a complex commissioning process that is simplified by this dissertation. The dissertation develops a software artifact for self-tuning control of flywheel storage systems in industrial direct current (DC) intermediate circuits. It enables the virtual commissioning of a retrofitted flywheel storage system before the hardware is integrated. In addition, the relative potential of power reduction and use of braking energy is determined and evaluated through simulation. The software artifact of the self-tuning control consists of four functional modules. These include load profile recognition, system identification of industrial frequency converters, control design and storage control simulation. The self-tuning control was successfully validated in two case studies for the load profiles of a machine tool and a woodworking machine.