Ralf Benger (Autor) Dynamisches Verhalten von umrichtergespeisten Energiespeichersystemen

Ähnliche Dokumente


Martin Reeker (Autor) Kostenentwicklung erneuerbarer Energien Eine Erfahrungskurvenanalyse des Erneuerbare-Energien-Gesetzes

Gabriele Graube (Autor) Technik und Kommunikation ein systemischer Ansatz technischer Bildung



Gerd Hansen (Autor) Konstruktivistische Didaktik für den Unterricht mit körperlich und motorisch beeinträchtigten Schülern


Andy Apfelstädt (Autor) Handlungsoptionen im euronationalen Ladungsverkehr

ENERGIESPEICHER GAME CHANGER DER ENERGIEWIRTSCHAFT?

Überblick zu Stromspeichertechniken


Inga Lampe (Autor) Die Lebensmittelüberwachung in Deutschland Eine Bewertung auf Basis ökonomischer Modelle und empirischer Analysen

Thomas Horn (Autor) Gefährdungsbetrachtung von PEM-Brennstoffzellen hinsichtlich des Einsatzes in explosionsgefährdeten Betriebsstätten

ENERGIESPEICHER GAME CHANGER DER ENERGIEWIRTSCHAFT?

Michael Kämpf (Autor) Software-Framework zur Simulationsbasierten Optimierung mit Anwendung auf Produktions- und Lagerhaltungssysteme

Jürgen Wagner (Autor) Technische Konzepte zur RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation in der Automobilindustrie

Carsten Traupe (Autor) Schlachtschweinevermarktung in Niedersachsen - Stand, Defizite, Entwicklungsmöglichkeiten

Martin Riffelmacher (Autor) Erfolgreiche Zusammenarbeit von Business Angels und Start- Ups in der Schweiz


Gabriel Duttler (Autor) Bindung an Gesundheitssport Qualitative Analyse gelingender Bindung unter besonderer Beachtung der Sportfreude


Florian Martin (Autor) Hochspannungsprüfsystem auf Basis leistungselektronischer Frequenzkonverter

Lioba Markl-Hummel (Autor) Multikriterielle Entscheidungsunterstützung für kommunale Klimaschutzmaßnahmen

Patricia Böning-Spohr (Autor) Controlling für Medienunternehmen im Online-Markt

Shanna Appelhanz (Autor) Tracking & Tracing-Systeme in Wertschöpfungsnetzwerken für die industrielle stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe

Hong Liu-Kiel (Autor) Mitarbeitermotivation in China und Deutschland Ein interkultureller Vergleich auf der Basis von Laborexperimenten

Stromspeicherung. Bedarf und Schlüsseltechnologien aus technisch-wirtschaftlicher Sicht. Hanspeter Eicher VRP


Nicole Hess (Autor) Internes Audit in universitären Hochschulen Theorie und international empirische Befunde

Marc-Oliver von Maydell (Autor) Kraftkompensierender Drucksensor für die Flugmeßtechnik mit Selbstüberwachung



Jana Hammerschmidt (Autor) Kollision Allgemeiner Geschäftsbedingungen im Geltungsbereich des UN-Kaufrechts

Verena Heid (Autor) Die GbR als Erbin

Lars Thoroe (Autor) RFID in Reverse-Logistics-Systemen

Eine Einrichtung der Landwirtschaftskammer NRW im Versuchs- und Bildungszentrum Landwirtschaft Haus Düsse

Moderne und zukünftige elektrische Energiespeicher im Überblick

Matthias Engel (Autor) Jonglieren als Maßnahme der Prävention und Gesundheitsförderung Konzeption und Evaluation

Tobias Stächele (Autor) Workload und Interaktionsarbeit als Prädiktoren emotionaler Erschöpfung von Klinikärzten

Michael Hoßfeld (Autor) Klassifikationssystem für Prägebildaufnahmen von Münzen

Mathematische Modellierung der Kostenund Wirkungszusammenhänge eines regionalen Energieverbundes

Elektrische Speicher im Energiesystem der Zukunft

Nassipkul Dyussembekova (Autor) Integration von Mini-BHKW in die Niederspannungsnetze von Deutschland und Kasachstan

Technologien zur Energiespeicherung im Stromnetz

Speichertechniken für die zukünftige Energieversorgung Energiespeicher-Symposium Stuttgart 06./07. März Ulrich Wagner

Max-Michael Bliesener (Autor) Nachhaltige Logistik

Speicher in der Energiewende (Teil 1)

Markus Pister (Autor) Integration formaler Fehlereinflussanalyse in die Funktionsentwicklung bei der Automobilindustrie

Katja Stamer (Autor) Ehrenamt Management Impulse und praktische Hilfestellungen zur Förderung des Ehrenamtes in Sportvereinen

Norman Lee Firchau (Autor) Variantenoptimierende Produktgestaltung

Speichertechnologien für Erneuerbare

Dirk Richard Keiner (Autor) Methodischer Vergleich von verschiedenen Instrumenten zur Messung der Lebensqualität bei Osteoporosepatienten

Jessica Seidenstücker (Autor) Der Einfluss sozialer Orientierungsreize auf das Fahrverhalten in Gefahrensituationen

Energiewirtschaftliche und technische Anforderungen an Speicher-Systeme für den stationären und mobilen Einsatz

Carsten Traupe (Autor) Schlachtschweinevermarktung in Niedersachsen - Stand, Defizite, Entwicklungsmöglichkeiten

Steffen Rittig (Autor) Unfallflucht ( 142 StGB) und das unvorsätzliche Sich- Entfernen vom Unfallort

Ulrich Hennecke (Autor) DNA Photoschäden: Untersuchungen zur Synthese, enzymatischen Erkennung und Reparatur

Hilmar Gerdes (Autor) Energiegewinnung aus Biomasse im Küstenbereich Eine ökonomische und multikriterielle Bewertung verschiedener Prozessketten


Selda Kabatas (Autor) Synthese Artifizieller Peptide zur Erzeugung von Supramolekularen Architekturen und zur Markie-rung von Biomolekülen

Mario Wertz (Autor) Die Verdachtskündigung unter Berücksichtigung des Vertrauenskapitals

Der Energiespeicherbedarf Europas Für ein Erneuerbares Energieszenario im Elektrizitätssektor

Klaus Oberleiter (Autor) Hausaufgaben in der Grundschule Die Bedeutung zeitlicher Aspekte und Auswirkungen eines selbstregulatorischen Trainings

Einführung in Technik und Funktionsweise von Brennstoffzellen und Batterieantrieben Prof. Dr. K. Andreas Friedrich

Dirk Claßen-Houben (Autor) Proteinbasierte 3D-QSAR-Analysen und virtuelles Screening an inhibitoren der Protein-Tyrosin-Phosphatase 1B

TRANSSTABIL-EE. Transiente Stabilität in zukünftigen Verbundnetzen mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien Zwischenergebnis September 2016


Dirk Eßer (Autor) Ultraschalldiagnostik im Kopf- und Halsbereich (A- und B- Bild- Verfahren)

Christiane Reuter (Autor) Gesundheitsförderung für Kinder mit geistiger Behinderung




Judith Burgmann (Autor) Bekleidungsvorschriften an öffentlichen Schulen in Nordrhein- Westfalen

Kapitel 7 Der Übergang zu den zeitabhängigen Stromund Spannungsformen 15

Johannes Gierlich (Autor) Selektive Modi_kation von DNA durch kupferkatalysierte 1,3- Dipolare Cycloaddition


Kai Wiltinger (Autor) Angelika Wiltinger (Autor) Wissenschaftliches Arbeiten Praxisleitfaden für Studierende

Energieinnovationen mit Erneuerbaren Energien, Energiespeicherung und smarten Technologien

Sicherheitstechnische Aspekte von Speichern im Netzparallelbetrieb

Sustainable Urban Infrastructure Intelligente Energieversorgung für Berlin Kooperationsprojekt von Siemens, Vattenfall, TU Berlin

Multifunktionales Batteriespeichersystem - MBS


Gerit Grübler (Autor) Ganzheitliches Multiprojektmanagement Mit einer Fallstudie in einem Konzern der Automobilzulieferindustrie

Sammy Zein El Dine (Autor) Ermüdungssicherheit der Schweißnähte an Ringflanschverbindungen in turmartigen Stahlbauten

Ralph Seemann (Autor) Corporate Reputation Management durch Corporate Communications

Stromtankstellen Wie sieht die Zukunft aus? Nico Friedmann


Torsten Ebner (Autor) Bauen im Bestand bei Bürogebäuden

Realisierung eines thermoelektrischen Generators für die Stromerzeugung aus Niedertemperatur

Steffen Rittig (Autor) Grundlagen des Sanktionenrechts Ein Lernbuch für Studenten, Referendare und Polizeikommissar- Anwärter

Marco Vannotti (Autor) Die Zusammenhänge zwischen Interessenkongruenz, beruflicher Selbstwirksamkeit und verwandten Konstrukten

Markus Vogt (Autor) Neue Wege in der Schulphysik? Ein Beitrag zur Kritik aktueller Entwicklungen in der Physikdidaktik

Fachpraktikum Energiesystemtechnik. Elektrische Energiespeicher. für dynamische Anforderungen


Untersuchungen zu hybriden Speichermodellen in Niederspannungsverteilnetzen mit hohem Anteil an Photovoltaikanlagen

Thema/Kontext: Von der Wasserelektrolyse zur Brennstoffzelle. Inhaltsfeld: Elektrochemie

Energiespeicher - Stand, Perspektiven und Wirtschaftlichkeit

DER GLEICHSTROMMAGNET

Transkript:

Ralf Benger (Autor) Dynamisches Verhalten von umrichtergespeisten Energiespeichersystemen https://cuvillier.de/de/shop/publications/6341 Copyright: Cuvillier Verlag, Inhaberin Annette Jentzsch-Cuvillier, Nonnenstieg 8, 37075 Göttingen, Germany Telefon: +49 (0)551 54724-0, E-Mail: info@cuvillier.de, Website: https://cuvillier.de

1 1 1.1 Motivation Um einen elektrischen Energiespeicher z. B. in der öffentlichen Elektrizitätsversorgung, wirtschaftlich einzusetzen, ist auf Grund des besonderen Eigenschaftsprofils elektrischer Energiespeicher vor allem auf eine umfassende Systemintegration hinzuarbeiten. Die bestmögliche Systemintegration ist dann erreicht, wenn bei der jeweiligen Anwendung das Zusammenwirken des Speichers und der Anwendungsumgebung einen maximalen Nutzeffekt mit möglichst kleinem bzw. kostengünstigem Speicher ergibt [ECKE99]. Energiespeicher werden in der Energietechnik vielfältige Rollen in verschiedenen Anwendungen gewinnen. Der weitere Abbau von Kraftwerkskapazitäten kann zukünftig zu häufigeren Netzinstabilitäten sowie Spannungs- und Frequenzschwankungen führen [VDI02]. Dieses erfordert zusätzliche Maßnahmen, vor allem für sensible Produktionsbereiche. Des Weiteren wird der Anteil an erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung, insbesondere der zeitlich schwankenden Windenergie und Photovoltaik weiter ansteigen und somit effizientere Speicher- sowie Managementsysteme zur Sicherung der Versorgung erforderlich machen. Wirtschaftliche Energiespeicherung wird eine Schlüsseltechnologie für den stabilen Netzbetrieb und die weitere Integration erneuerbarer Energien werden [VDI02, EURO05, VDI04, EURO01]. Weiterhin entstehen durch den zunehmenden Einsatz von elektrischen und elektronischen Systemen in Fahrzeugen und die Entwicklung von Elektro- und Hybridfahrzeugen neue Anforderungen an elektrische Energiespeicher. Obwohl Elektrostraßenfahrzeuge in aller Munde sind, die Entwicklung von Akkumulatoren inzwischen auch im EU Raum stärker gefördert wird, besteht doch weiterhin eine Diskrepanz bei der Integration des Speichers in das Gesamtsystem. Sowohl für stationäre als auch mobile Anwendungen gewinnt also die Energiespeicherung eine immer größere Bedeutung. Schnelle Schalthandlungen oder unvorhergesehene Lastsprünge können durch Speicher ausgeglichen werden und durch Down-Sizing der Stromerzeugungseinheiten lassen sich Kosten und Energie einsparen [EURO05]. Als Speichertechnologien für die Erzeugung der so genannten Sekundenreserve kommen aus derzeitiger Sicht vor allem Batterien, Doppelschichtkondensatoren (DSK), Schwungmassenspeicher (SMS) und Supraleitende Magnetische Energiespeicher

2 2 (SMES) in Frage [VDI02, SPAH06]. Pumpspeicher oder herkömmliche Druckluftspeicher kommen auf Grund ihrer relativ großen Anregelzeiten aus heutiger Sicht nicht in Betracht; zukünftig könnten Speicher mit heißer Druckluft in dieses Segment vordringen [MOHA03], derzeit stehen sie erst am Anfang der Entwicklung. Ausgehend von der Arbeit von Herrn Dr.-Ing. Carsten Ropeter [ROPE07] und Problemstellungen, die sich im Zusammenhang mit dem Wirkleistungsspeicher der Virtuellen Synchronmaschine [HESS07b] ergeben haben, soll in der vorliegenden Arbeit ein Ansatz gegeben werden, die Frage, wie ein ideales Kurzzeit- Energiespeichersystem konzipiert werden muss, um Leistungsanforderungen im Millisekunden- bis Minutenbereich gerecht zu werden, zu beantworten. Während der Bearbeitung dieses Themas zeigte sich schnell, dass mathematische Modelle nur unzureichend vorhanden sind und dass die Untersuchung von Kombinationen von Energiespeichersystemen bei hohen Leistungsfluktuationen bisher nur oberflächlich betrachtet worden sind. 1.2 Einleitung In stromrichtergespeisten Gleichspannungs-Zwischenkreisen wie zum Beispiel bei elektrischen Antrieben in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen müssen Energiespeicher hohen Anforderungen bzgl. Leistungsänderungen über einem breiten Frequenzspektrum genügen. Traditionell werden Elektrolyt- und Snubberkondensatoren dazu eingesetzt, die Gleichspannung zu stabilisieren und zu glätten. Sobald der Energiebedarf aus dem Zwischenkreis zunimmt, werden üblicherweise zusätzlich elektrochemische Speicher, Schwungmassenspeicher oder Doppelschichtkondensatoren installiert. Bei der näheren Betrachtung der Strombelastungen dieser Speicher stellt sich heraus, dass sie in vielen Systemen als eine Wechselstrom- bzw. Mischstromkomponente und nicht als eine Gleichstromkomponente angesehen werden müssen. Beispiele hierfür sind Starterbatterien in Kraftfahrzeugen [ROPE07], Bordnetzbatterien in Schienenfahrzeugen [ROPE07, BECK06], Batterien in Anlagen zur Energiekonditionierung [BENG05] und Netzstützung oder Batterien in Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugen [BENG08b, BENG08c]. In vielen Anwendungen übersteigt die Amplitude des Wechselstrom- die Größe des Gleichstromanteils und Änderungen der Stromrichtung führen zu so genannten Mikrozyklen im Bereich einiger Millisekunden bis zu Mikrosekunden [ROPE01]. Die

1.2 Einleitung 3 3 Auswirkungen auf das Spannungsverhalten von elektrochemischen Systemen wie Batterien bei transienten Strom- oder Leistungsänderungen werden im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Es wird gezeigt, dass die in der Literatur beschriebenen Modelle für elektrochemische Systeme nicht ausreichend sind, um das Verhalten bei sehr schnellen Strom- bzw. Leistungsänderungen richtig zu beschreiben. Anhand der Analyse mathematischer Methoden wie der Fourier- und Laplace-Transformation wird dargestellt, in welchen Fällen ein elektrochemisches System mit der Theorie der linearen zeitinvarianten Systemtheorie behandelt werden kann und in welchen diese aufgrund der vorhandenen zeitabhängigen Nichtlinearitäten falsche Ergebnisse liefern muss. Bei der Auswahl eines Energiespeichers für Gleichspannungs-Zwischenkreise sind verschiedene technische und wirtschaftliche Restriktionen zu beachten. Eine kurze Zusammenstellung möglicher Alternativen und deren Vor- und Nachteile finden sich in Kapitel 2. In Kapitel 3 wird auf die Bedeutung von Wechselbelastungen auf ein Gleichspannungssystem eingegangen und anhand einiger Beispiele näher erläutert. Es zeigt sich hierbei, dass zur Beschreibung des Systemverhaltens elektrochemischer Speicher oder Quellen es nicht ausreichend ist, nur das FARADAYsche Verhalten (also das mit Massenumsatz verbundene Verhalten) zu untersuchen. Die in dieser Arbeit durchgeführte Betrachtung des Energiespeichers in der jeweiligen Systemumgebung (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen mit oder ohne Netzanschlussmöglichkeit (Plug-In), stationären Energiespeichern zur Netzstützung) unterscheidet sich von den Ansätzen reiner Elektrotechniker oder Elektrochemiker. Das Kapitel 4 widmet sich der Modellbildung zur Beschreibung der Energiespeichersysteme für dynamische Anforderungen. Es wird gezeigt, dass nicht immer eine Korrelation von Ergebnissen aus dem Frequenzbereich mit denen des Zeitbereichs vorliegt und welche Ursache für diese Abweichungen zu finden ist. In Kapitel 5 wird recht ausführlich auf die Bedeutung des elektromagnetischen Felds eingegangen, um hieraus ein erweitertes Modell zur Beschreibung des thermischen und elektrischen Verhaltens von elektrochemischen Speichern abzuleiten. Neben der bei nichtsinusförmigen Strom- und Spannungsverläufen auftretenden (Gleichspannungs-) Verzerrungs-Blindleistung werden ausgehend von den MAXWELLschen Gleichungen eine geschlossene Lösung für die transiente Stromverdrängung gesucht

4 4 und die Bedeutung der Verschiebungsstromdichte bei elektrochemischen Systemen hervorgehoben. Zum Abschluss entsteht ein erweitertes elektrisches Ersatzschaltbild, welches zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens weiter verwendet wird. Zur Verifikation der in Kapitel 5 dargestellten Ergebnisse und zum Vergleich des dynamischen Verhaltens unterschiedlicher Energiespeichertechnologien werden in Kapitel 6 Erwärmungsversuche bei hochfrequenten Rechteckimpulsen durchgeführt und die Wärmeentstehung in den Speichern betrachtet. Hierbei zeigt sich, dass die Verlustmechanismen stark von der Materialzusammensetzung aber auch von der Geometrie abhängig sind. Auf Grundlage der bis hierhin gemachten Erkenntnisse erfolgt in Kapitel 7 die Betrachtung der Speichersysteme hinsichtlich der Reglerauslegung in Gleichspannungs- Zwischenkreisen. Die Übertragbarkeit und die Validierung der theoretischen bzw. auf Zell- und Modulebene gezeigten Ergebnisse auf Systemebene werden am Beispiel eines Gleichspannungs-Zwischenkreises aus einer Kombination verschiedener Energiespeichersysteme zur Stützung eines elektrischen Netzes in Kapitel 8 untersucht. Anhand von Prüfstandsmessungen wird dabei v.a. die Relevanz der Ausführungen bezogen auf hochdynamische Anforderungen betrachtet. In Kapitel 9 werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick auf weiterführende Arbeiten gegeben.