Echtzeitsimulation und Netzintegration einer Mikrogasturbine

In dieser Arbeit wurde eine Versuchsumgebung für eine kommerzielle Mikrogasturbine erstellt. Mit der Umgebung wurde die Einbindung einer realen Mikrogasturbine in einen virtuellen Haushalt analysiert. Die Einbindung erfolgte mittels Echtzeitsimulationssystem. Darüber hinaus wurden im Rahmen dieser Arbeit Simulationsmodelle der Mikrogasturbine und des Haushalts implementiert. Das Ziel war die Untersuchung der Machbarkeit eines autarken Haushalts mittels einer Mikrogasturbine. Neben der Autarkie wurden als weitere Entscheidungsmerkmale technische, ökonomische und ökologische Faktoren eingeführt. Damit wurden Wechselwirkungen beispielsweise zwischen Ladezuständen, Betriebskosten und CO2 Emissionen verglichen. Die Einbindung der realen Mikrogasturbine in einen virtuellen Haushalt erfolgte mittels zweier Echtzeitsimulationssysteme unterschiedlicher Hersteller. Die Charakteristiken beider Simulatoren wurden detailliert untersucht. Dabei standen Integrierbarkeit, Softwarenutzung und Datenerfassung im Vordergrund. Von der Inbetriebnahme, über die Modellierung bis zur den Anwendungsszenarien wurde jeder Arbeitsschritt in beiden Systemen redundant durchgeführt. Der Modellierungsvorgang der Mikrogasturbine in den Echtzeitsimulatoren ähnelt sich. Zuerst wurde das grundlegende mathematische Modell erstellt und anschließend zum Testen in Simulink implementiert. Nach ausführlichen Test in der Simulink Umgebung wurde das Modell in die Programmieroberfläche der Simulatoren übersetzt. Dieser Ablauf wurde für drei verschiedene Modelle der Mikrogasturbine wiederholt. Die drei erstellten Modelle unterscheiden sich in ihrer Komplexität. Die verschiedenen Modelle wurden auf ihre Anwendbarkeit im Echtzeitsimulator untersucht. Dabei wurde konkret untersucht welche Mikrogasturbinenmodelle die geringste Rechenzeit im Verhältnis zur Genauigkeit aufweisen. Das geeignetste Modell wurde für die Anwendungsuntersuchungen ausgewählt. Als bestes Modell der Mikrogasturbine hat sich das Modell der Änderungsrate erwiesen. Die Abweichung zu den Messdaten beträgt weniger als 3 %. Die Messunsicherheit ist bereits in diese Rechnung einbezogen und detailliert dargestellt. Um die Autarkie sicherstellen zu können, muss die minimale Speicherkapazität des Batteriesystems 10,2 kWh betragen. Dies ist gleichzeitig auch der optimale Punkt in Bezug auf die Gesamtkosten. Eine Erhöhung der Speicherkapazität führt zu höheren Gesamtkosten. Die Größe des Warmwasserspeichers beeinflusst nicht signifikant die Gesamtkosten, jedoch die Anzahl der thermisch bedingten Startvorgänge. Kleinere Batteriespeicher mit einer Kapazität von beispielsweise 7,7 kWh sind mit einem minimalen Ladezustand von 30% nicht autarkiefähig. Wird dieser minimale Ladezustand im Regler auf 70 % erhöht, kann die Autarkie erreicht werden. Jedoch erhöhen sich durch das häufigere Zuschalten der Mikrogasturbine die Gesamtkosten um 6%. Die CO2 Emissionen steigen sogar um 10%. Die optimale Größe der PV-Anlage in Bezug auf Gesamtkosten und Energieüberschuss liegt für den untersuchten Beispielhaushalt bei 10 m². Bei der Variation der PV-Anlagengröße wurde ersichtlich, dass jede praktikable PV-Anlagengröße hilft die Gesamtkosten zu senken und somit empfehlenswert ist. Auf Grund der aktuellen hohen Erdgaspreise liegen die Gesamtkosten im Bereich eines wirtschaftlichen Betriebs mit Wasserstoff. Die neueste Generation der Mikrogasturbinen ist in der Lage mit Wasserstoff betrieben werden zu können. Mit Hilfe des Echtzeitsimulators wurde das Modell der Mikrogasturbine durch die reale Gasturbine ersetzt. Das vereinfachte Modell der Mikrogasturbine stößt bei den nichtdeterministischen Startvorgang der Gasturbine an seine Anwendungsgrenze. Das reale Verhalten der Mikrogasturbine führt, im Gegensatz zum vereinfachten Modell zu einem Stromausfall im Haushalt. Als Gegenmaßnahme wird im Fall eines kritischen Ladezustands die minimale Ladegrenze auf 50% erhöht. Damit wurde die Autarkie des Haushalts wieder sichergestellt. Die Beeinflussung auf die jährliche Energiebilanz der Gegenmaßnahme in die Ladezustandsregelung ist vernachlässigbar

Cooling Requirements of Superconducting Power Cables

Superconducting cables have been built and tested for voltages larger than 100 kV, currents up to 5 kA and a length of up to 1 km. Within long term field tests, superconducting power cables have shown that they can fulfill all technical and operational requirements. This resulted in an increased interest for more applications and in contrast to the voltage and current design parameters, the cooling design parameters of a superconducting cable depend mainly on the length of the cable and the heat input. These parameters have to be adapted to each cable to fulfil the specification. This presentation gives an overview on cable specifications and requirements and points out specific cooling requirements. For two different examples of a medium and high voltage cable, design options are presented and discussed. It can be seen that the different loss contributions differ very much between medium and high voltage cables and that for example the interconnection between specification and maximum length before re-cooling needs a careful investigation. Finally, a design procedure is proposed that considers main specification and cooling requirements

Feasibility of ultra-compact HTS CrossConductor based Power Transmission Cables

HTS CrossConductor is a compact stacked-tape REBCO conductor of high current density. In this contribution, a non-concentric three-phase cable design based on HTS CroCos is presented, which offers the possibility to reduce the cable diameter significantly. One of the important aspects of HTS-AC power cables are the AC-losses, which are investigated both theoretically and experimentally. For the measurement of the dissipated power loss in both single-phase and three-phase conductor arrangements, a calorimetric method is used. The results indicate that it is possible to reduce the outer cable diameter compared to concentric cables designs by a factor of two. When the losses of such a cable with HTS CroCo design shall not exceed 2 W/m for all three-phases, the maximum ampacity results in a current of 600 A(rms) per phase. Depending of the target there are many potential applications for such an ultra-compact HTS CroCo-based power transmission cable design

High temperature superconducting cables and their performance against short circuit faults: current development, challenges, solutions, and future trends

Along with advancements in superconducting technology, especially in high-temperature superconductors (HTSs), the use of these materials in power system applications is gaining outstanding attention. Due to the lower weight, capability of carrying higher currents, and the lower loss characteristic of HTS cables, compared to conventional counterparts, they are among the most focused large-scale applications of superconductors in power systems and transportation units. In near future, these cables will be installed as key elements not only in power systems but also in cryo-electrified transportation units, that take advantage of both cryogenics and superconducting technology simultaneously, e.g., hydrogen-powered aircraft. Given the sensitivity of the reliable and continuous performance of HTS cables, any failures, caused by faults, could be catastrophic, if they are not designed appropriately. Thus, fault analysis of superconducting cables is crucial for ensuring their safety, reliability, and stability, and also for characterising the behaviour of HTS cables under fault currents at the design stage. Many investigations have been conducted on the fault characterisation and analysis of HTS cables in the last few years. This paper aims to provide a topical review on all of these conducted studies, and will discuss the current challenges of HTS cables and after that current developments of fault behaviour of HTS cables will be presented, and then we will discuss the future trends and future challenges of superconducting cables regarding their fault performance

Evaluation of the Use of Superconducting 380 kV Cable

Diese Studie führt eine Auslegung von supraleitenden Kabeln für die Anwendung im 380-kV-Drehstromnetz durch und erläutert allgemeine Aspekte des Einsatzes solcher Kabel im Höchstspannungsnetz. Dabei vergleicht sie die Supraleitungstechnologie unter vielen verschiedenen Kriterien mit anderen Leitungstechnologien

Evaluation of the Use of Superconducting 380 kV Cable

This study describes the design of superconducting cables for use in the 380 kV three-phase network and explains general aspects of the use of such cables in the extra-high voltage grid. It compares the superconducting technology with other line technologies under many different criteria

Bewertung des Einsatzes supraleitender 380-kV-Kabel

Diese Studie führt eine Auslegung von supraleitenden Kabeln für die Anwendung im 380-kV-Drehstromnetz durch und erläutert allgemeine Aspekte des Einsatzes solcher Kabel im Höchstspannungsnetz. Dabei vergleicht sie die Supraleitungstechnologie unter vielen verschiedenen Kriterien mit anderen Leitungstechnologien