Self-Organized Synchronization and Voltage Stability in Networks of Synchronous Machines

The integration of renewable energy sources in the course of the energy transition is accompanied by grid decentralization and fluctuating power feed-in characteristics. This raises new challenges for power system stability and design. We intend to investigate power system stability from the viewpoint of self-organized synchronization aspects. In this approach, the power grid is represented by a network of synchronous machines. We supplement the classical Kuramoto-like network model, which assumes constant voltages, with dynamical voltage equations, and thus obtain an extended version, that incorporates the coupled categories voltage stability and rotor angle synchronization. We compare disturbance scenarios in small systems simulated on the basis of both classical and extended model and we discuss resultant implications and possible applications to complex modern power grids.Comment: 9 pages, 9 figure

Verkehrsdatenerfassung mit Bluetooth-Detektion: Möglichkeiten und Grenzen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz der Bluetooth‐Technologie als Verkehrsdetektor zur Erfassung von Verkehrsströmen. Sie legt die Eigenschaften und Charakteristiken dieser Technik dar und stellt diese in den Kontext gängiger Detektionsverfahren. Anhand der Betrachtung qualitativer Anforderungsaspekte sowie potentieller Einsatzbereiche werden Stärken und Schwächen der Technologie und somit die Eignung für die Verkehrserfassung auf theoretischer Ebene analysiert. Der Vergleich zu anderen Detektoren ermöglicht die Einordnung in den Gesamtkomplex der Verkehrserfassungssysteme. Eine praktische Umsetzung ermöglicht schließlich die empirisch gestützte Validierung der theoretischen Erkenntnisse und kennzeichnet die Möglichkeiten und Grenzen der Bluetooth‐Technologie im Praxiseinsatz. Mit Hilfe der theoretisch und praktisch gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit wird die Eignung der Bluetooth‐Detektion für Anwendungen im Straßenverkehrsmanagement verdeutlicht

Bridging between Load-Flow and Kuramoto-like Power Grid Models: A Flexible Approach to Integrating Electrical Storage Units

In future power systems, electrical storage will be the key technology for balancing feed-in fluctuations. With increasing share of renewables and reduction of system inertia, the focus of research expands towards short-term grid dynamics and collective phenomena. Against this backdrop, Kuramoto-like power grids have been established as a sound mathematical modeling framework bridging between the simplified models from nonlinear dynamics and the more detailed models used in electrical engineering. However, they have a blind spot concerning grid components, which cannot be modeled by oscillator equations, and hence do not allow to investigate storage-related issues from scratch. We remove this shortcoming by bringing together Kuramoto-like and algebraic load-flow equations. This is a substantial extension of the current Kuramoto framework with arbitrary grid components. Based on this concept, we provide a solid starting point for the integration of flexible storage units enabling to address current problems like smart storage control, optimal siting and rough cost estimations. For demonstration purpose, we here consider a wind power application with realistic feed-in conditions. We show how to implement basic control strategies from electrical engineering, give insights into their potential with respect to frequency quality improvement and point out their limitations by maximum capacity and finite-time response.Comment: 12 pages, 6 figure

Heterogeneities in electricity grids strongly enhance non-Gaussian features of frequency fluctuations under stochastic power input

Stochastic feed-in of fluctuating renewable energies is steadily increasing in modern electricity grids and this becomes an important risk factor for maintaining power grid stability. Here we study the impact of wind power feed-in on the short-term frequency fluctuations in power grids based on an IEEE test grid structure, the swing equation for the dynamics of voltage phase angles, and a series of measured wind speed data. External control measures are accounted for by adjusting the grid state to the average power feed-in on a time scale of one minute. The wind power is injected at a single node by replacing one of the conventional generator nodes in the test grid by a wind farm. We determine histograms of local frequencies for a large number of one-minute wind speed sequences taken from the measured data and for different injection nodes. These histograms exhibit a common type of shape, which can be described by a Gaussian distribution for small frequencies and a nearly exponentially decaying tail part. Non-Gaussian features become particularly pronounced for wind power injection at locations, which are weakly connected to the main grid structure. This effect is only present when taking into account the heterogeneities in transmission line and node properties of the grid, while it disappears upon homogenizing of these features. The standard deviation of the frequency fluctuations increases linearly with the average injected wind power.Comment: 9 pages, 7 figure

Bounding the first exit from the basin : Independence times and finite-time basin stability

9 pages, 3 figuresPeer reviewedPublisher PD

The Kuramoto model in complex networks

181 pages, 48 figures. In Press, Accepted Manuscript, Physics Reports 2015 Acknowledgments We are indebted with B. Sonnenschein, E. R. dos Santos, P. Schultz, C. Grabow, M. Ha and C. Choi for insightful and helpful discussions. T.P. acknowledges FAPESP (No. 2012/22160-7 and No. 2015/02486-3) and IRTG 1740. P.J. thanks founding from the China Scholarship Council (CSC). F.A.R. acknowledges CNPq (Grant No. 305940/2010-4) and FAPESP (Grants No. 2011/50761-2 and No. 2013/26416-9) for financial support. J.K. would like to acknowledge IRTG 1740 (DFG and FAPESP).Peer reviewedPreprin

Neue Ansätze zur Ermittlung von Abbiegeraten an Knotenpunkten

Der Verkehrsflussmodellierung kommt zur möglichst realitätsnahen Abbildung des Verkehrsgeschehens sowohl in Verkehrsplanung (z. B. zur Erstellung von Verkehrsmengenkarten) als auch dem operativen Verkehrsmanagement (u. a. für die Simulation zu erwartender Wirkungen von Verkehrssteuerungsmaßnahmen) eine wesentliche Rolle zu. Neben Angaben zu detektierten Verkehrsmengen ist die Kenntnis der Abbiegeraten erforderlich. Dabei handelt es sich um die Aufteilungsfaktoren der Verkehrsmengen an den Knotenpunkten. Typischer Weise werden diese durch manuelle Zählungen an Tagen mit als repräsentativ angenommenem Verkehrsgeschehen ermittelt. Der damit verbundene Aufwand bedingt einen stark fokussierten Einsatz. Vollautomatische Erfassungen erfordern eine umfangreiche Detektionsbasis, die natürlich auch mit entsprechenden Kosten verbunden ist und sich deshalb eher für die Unterstützung manueller Zählungen als einen dauerhaften und flächendeckenden Einsatz anbietet. Der Nutzung von Anmeldungsdetektoren von Lichtsignalanlagen ist häufig durch eingeschränkte Verfügbarkeit Grenzen gesetzt. Bekannt sind auch Lösungen durch Verbindung von Detektion und Modell. Auch hier wird der Aufwand als hoch und die Nutzungsbreite als eingegrenzt eingeschätzt. Dem breiten Interesse häufiger, weitflächiger und kostengünstiger Erfassung von Abbiegeraten Genüge zu tun, rückt so die Erschließung von Mehrwerten bestehender Systeme und Technologien in den Fokus der Betrachtungen. Vorgestellt werden in diesem Kontext ein Ansatz zur Ermittlung von Abbiegeraten auf Basis von Floating Car Data (FCD) sowie ein Ansatz unter Nutzung von Bluetooth (BT)