Hybrid Power System Modelling - Simulation and Energy Management Unit Development

Weltweit leben mehr als 2 Milliarden Menschen in ländlichen Gebieten. Als Konzept für die elektrische Energieversorgung solcher Gebiete kommen dezentrale elektrische Energieversorgungseinheiten zum Einsatz, die lokal verfügbare erneuerbare Ressourcen nutzen. Stand der Technik bilden Einheiten, die auf PV-Diesel-Batterie System basieren. Die verwendeten Versorgungsskonzepte in Hybridsystemen sind durch den Einsatz von Batterien als Energiespeicher meist wenig zuverlässig und teuer. Diese Energiespeicher sind sehr aufwendig zu überwachen und schwerig zu entsorgen. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Entwicklung eines neuen Hybridsystems mit einem Wasserreservoir als Energiespeicher. Dieses Konzept eignet sich für Bergregionen in Entwicklungsländern wie Nepal, wo z.B. neben der solaren Strahlung kleine Flüsse in großer Anzahl vorhanden sind. Das Hybridsystem verfügt über einen Synchrongenerator, der die Netzgrößen Frequenz und Spannung vorgibt und zusätzlich unterstützen PV und Windkraftanlage die Versorgung. Die Wasserkraftanlage soll den Anteil der erneuerbaren Energienutzung erhöhen. Die Erweiterung des Systems um ein Dieselaggregat soll die Zuverlässigkeit der Versorgung erhöhen. Das Hybridsystem inkl. der Batterien wird modelliert und simuliert. Anschließend werden die Simulations- und Messergebnisse verglichen, um eine Validierung des Modells zu erreichen. Die Regelungsstruktur ist aufgrund der hohen Anzahl an Systemen und Parametern sehr komplex. Sie wird mit dem Simulationstool Matlab/Simulink nachgebildet. Das Verhalten des Gesamtsystems wird unter verschiedene Lasten und unterschiedlichen meteorologischen Gegebenheiten untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung einer modularen Energiemanagementeinheit, die auf Basis der erneuerbaren Energieversorgung aufgebaut wird. Dabei stellt die Netzfrequenz eine wichtige Eingangsgröße für die Regelung dar. Sie gibt über die Wirkleistungsstatik die Leistungsänderung im Netz wider. Über diese Angabe und die meteorologischen Daten kann eine optimale wirtschaftliche Aufteilung der Energieversorgung berechnet und eine zuverlässige Versorgung gewährleistet werden. Abschließend wurde die entwickelte Energiemanagementeinheit hardwaretechnisch aufgebaut, sowie Sensoren, Anzeige- und Eingabeeinheit in die Hardware integriert. Die Algorithmen werden in einer höheren Programmiersprache umgesetzt. Die Simulationen unter verschiedenen meteorologischen und netztechnischen Gegebenheiten mit dem entwickelten Model eines Hybridsystems für die elektrische Energieversorgung haben gezeigt, dass das verwendete Konzept mit einem Wasserreservoir als Energiespeicher ökologisch und ökonomisch eine geeignete Lösung für Entwicklungsländer sein kann. Die hardwaretechnische Umsetzung des entwickelten Modells einer Energiemanagementeinheit hat seine sichere Funktion bei der praktischen Anwendung in einem Hybridsystem bestätigen können.

Leistungsoptimale zentrale Fahrdynamikregelung

Um den Fahrkomfort eines Automobils weiter zu erhöhen und zugleich dessen fahrdynamischen Grenzbereich kontinuierlich auszubauen, wurden im Laufe der letzten Jahrzehnte und insbesondere innerhalb der letzten Jahre vermehrt aktive Fahrwerkregelsysteme eingeführt. Durch diesen zunehmenden Verbau von Fahrwerksaktoren in heutigen Fahrzeugen nimmt jedoch die Beanspruchung des 12V-Energienetzes nach wie vor stetig zu und beeinträchtigt somit dessen Stabilität. Um das Bordnetz zu stützen, stehen nun einige Optionen zur Verfügung, wie z.B. der Einsatz einer zusätzlichen 48V-Spannungsebene. Da solche Technologien jedoch mit einem entsprechend hohen Mehraufwand einhergehen, ist es das Bestreben der Automobilindustrie, mit der Einführung derartiger Maßnahmen möglichst lange zu warten. Um diesen Zielkonflikt zu lösen, wird im Rahmen dieser Dissertation das Potential eines Zentralreglers für ein aktives Fahrwerk untersucht, welches unter Beachtung der Bordnetzstabilität und der geforderten fahrdynamischen Eigenschaften realisierbar ist. Zu diesem Zweck wird ein Versuchsträger aufgebaut und mit ausgewählten aktiven Fahrwerkskomponenten ausgestattet. Auf Basis dieses Versuchsfahrzeugs wird ein Gesamtfahrzeugmodell in der Simulationsumgebung Matlab/Simulink bzw. veDYNA generiert, welches in der Lage ist, die elektromechanischen Charakteristiken des aktiven Fahrwerks realitätsnah abzubilden. Da die Simulationsmodelle der Fahrwerkssteller Hinterachslenkung und Sportdifferenzial bislang nicht verfügbar waren, mussten zunächst entsprechende Modelle aufgebaut werden, welche die Auswirkungen der Aktoren sowohl auf die Fahrdynamik als auch auf den Strombedarf in geeigneter Form wiedergeben können. Das zentrale Regelungskonzept für das aktive Fahrwerk, welches im Rahmen dieser Arbeit zum Einsatz kommt, basiert auf einer linear-quadratischen Regelung (LQR) mit Führungsgrößenaufschaltung. Unter Zuhilfenahme der Simulationsumgebung und eines speziell entwickelten Optimierungstools werden unterschiedliche Reglerabstimmungen vorgestellt, bei denen zum einen die Absenkung des elektrischen Leistungsbedarfs und zum anderen die Umsetzung einer optimalen Fahrdynamik im Vordergrund steht. Zwecks Validierung der Berechnungsergebnisse werden anschließend die im Versuchsträger durchgeführten Untersuchungen präsentiert, bei denen diese Reglerabstimmungen gegenübergestellt werden, um das Potential des zentralen Regelungskonzeptes zu bewerten.