A Digital Hardware Platform for Distributed Real-Time Simulation of Power Electronic Systems18

Adler, Felix; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor); Monti, Antonello (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2017, 2018)
Buch, Doktorarbeit

In: E.On Energy Research Center: Power Generation and Storage Systems (PGS) 50
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (ix, 156 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Leistungselektronische Komponenten haben längst Technologiesektoren durchdrungen, wie z.B. die Automobil- oder Energieversorgungsindustrie, die strenge Anforderungen hinsichtlich Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und funktionale Sicherheit an Komponenten und Systeme stellen. Im globalen Wettbewerb müssen Faktoren wie Entwicklungskosten und Entwicklungszeit mit dem Bedarf an Qualität und damit dem Test und der Qualifizierung in Einklang gebracht werden. Im Besonderen bei Applikationen hoher Leistung können sich zusätzlich aufwändige oder schwierige Testbedingungen ergeben. Dadurch entsteht Bedarf an effizienten, sicheren, wiederholbaren und automatisierbaren Test- und Qualifikationswerkzeugen für leistungselektronische Systeme. Das Testen nach der Hardware-in-the-loop (HIL)-Methodik wird bereits in vielen Industriebereichen eingesetzt und etabliert sich zunehmend auch in der Leistungselektronik. Die zu testende Komponente wird dabei einer simulierten Umgebung ausgesetzt, die eine wiederholbare und automatisierbare Kontrolle der Testbedingungen ermöglicht. Die Echtzeit-Simulation ist die Grundlage dieses Testens, da nicht nur akkurate sondern auch sofort verfügbare simulierte Größen benötigt werden, um die Simulation vor der zu testenden Komponente zu verbergen. Bei Anwendung auf große, verbundene leistungselektronische Systeme, wie z.B. große Windenergieanlagen mit DC-Verteilnetzen oder DC-Leistungsübertragungssystemen, ergeben sich Modelle, die durch ihre Größe und ihre Komplexität und deren künftig zu erwartende Zunahme jedweden einzelnen Rechenknoten auf lange Sicht überfordern. Daher ist eine skalierbare Lösung zur Echtzeit-Simulation solcher Systeme erforderlich. Diese Arbeit entwickelt das Konzept, die Struktur und die eigentliche Hardware für eine verteilte Plattform zur Echtzeit-Simulation von großen, verbundenen leistungselektronischen Systemen auf Ebene der Leistungshalbleiter. Dadurch können die Auswirkungen der Schalteffekte im Gesamtverbund untersucht und einzelne Komponenten automatisiert getestet werden. Der Fokus liegt auf einer modularen, offenen und flexiblen Hardware-Struktur und ermöglicht so die zukünftige Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit in homogenen und heterogenen Simulations-Infrastrukturen. In dieser Arbeit wird keine eigenständige Simulationssoftware entwickelt. Stattdessen werden etablierte Software-Werkzeuge zur leistungselektronischen Simulation für die Erstellung und Verifikation der Simulationsmodelle sowie die Code-Generierung verwendet. Der erste Abschnitt der Arbeit führt die Grundlagen der Echtzeit-Simulation besonders von leistungselektronischen Schaltungen ein. Dazu werden der Transfer eines Modells in eine numerische Repräsentation, die Einbindung eines Simulationsalgorithmus, die Integration des resultierenden Codes in eine eingebettete HIL-Hardware und die Prinzipien der Verteilung der Simulation auf verschiedene Rechenknoten beleuchtet. Der zweite Abschnitt fasst den Stand der Technik zur Echtzeit-Simulation von Leistungselektronik durch Auflistung von Publikationen und kommerziellen Werkzeugen zusammen. Die technischen Details werden untersucht und daraus gebräuchliche Techniken und Prinzipien als Richtlinien für den Entwurf einer verteilten Hardwareplattform abgeleitet. Im dritten Abschnitt wird aus den Erkenntnissen der vorherigen Teile zunächst die abstrakte Struktur der Hardware-Plattform zur Echtzeit-Simulation abgeleitet, bevor die technischen Details und die eigentliche Implementierung der Hardware-Baugruppen der modularen Plattform für verteilte Echtzeit-Simulation beschrieben werden. Im letzten Abschnitt der Arbeit werden die Funktion und die Leitungsfähigkeit des Simulationssystems durch realitätsnahe Experimente demonstriert. Im ersten Experiment werden die Modellierung und die Code-Generierung verifiziert, in dem die Messungen eines Hardware-Umrichters mit den simulierten Größen einer zeitgleich laufenden Echtzeit-Simulation verglichen werden. Das zweite Experiment demonstriert die Echtzeitfähigkeit des Systems durch erfolgreiche Einbindung eines externen Steuergerätes in die Simulation in einem Hardware-in-the-Loop-Aufbau. Das letzte Experiment zeigt schließlich die Skalierbarkeit der Plattform durch die verteile Echtzeit-Simulation von einer Gruppe aus Windturbinen und dem zugehörigen DC-Verteilnetz unter Einbeziehung einer externen Steuereinheit in einem HIL-Aufbau.

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