Rechenmodelle und Informationssysteme zur Integration großer Windleistungen in die elektrische Energieversorgung

In dieser Arbeit werden verschiedene Computermodelle, Rechenverfahren und Methoden zur Unterstützung bei der Integration großer Windleistungen in die elektrische Energieversorgung entwickelt. Das Rechenmodell zur Simulation der zeitgleich eingespeisten Windenergie erzeugt Summenganglinien von beliebig zusammengestellten Gruppen von Windenergieanlagen, basierend auf gemessenen Wind- und Leistungsdaten der nahen Vergangenheit. Dieses Modell liefert wichtige Basisdaten für die Analyse der Windenergieeinspeisung auch für zukünftige Szenarien. Für die Untersuchung der Auswirkungen von Windenergieeinspeisungen großräumiger Anlagenverbünde im Gigawattbereich werden verschiedene statistische Analysen und anschauliche Darstellungen erarbeitet. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell zur Berechnung der aktuell eingespeisten Windenergie aus online gemessenen Leistungsdaten repräsentativer Windparks liefert wertvolle Informationen für die Leistungs- und Frequenzregelung der Netzbetreiber. Die zugehörigen Verfahren zur Ermittlung der repräsentativen Standorte und zur Überprüfung der Repräsentativität bilden die Grundlage für eine genaue Abbildung der Windenergieeinspeisung für größere Versorgungsgebiete, basierend auf nur wenigen Leistungsmessungen an Windparks. Ein weiteres wertvolles Werkzeug für die optimale Einbindung der Windenergie in die elektrische Energieversorgung bilden die Prognosemodelle, die die kurz- bis mittelfristig zu erwartende Windenergieeinspeisung ermitteln. In dieser Arbeit werden, aufbauend auf vorangegangenen Forschungsarbeiten, zwei, auf Künstlich Neuronalen Netzen basierende Modelle vorgestellt, die den zeitlichen Verlauf der zu erwarten Windenergie für Netzregionen und Regelzonen mit Hilfe von gemessenen Leistungsdaten oder prognostizierten meteorologischen Parametern zur Verfügung stellen. Die softwaretechnische Zusammenfassung des Modells zur Berechnung der aktuell eingespeisten Windenergie und der Modelle für die Kurzzeit- und Folgetagsprognose bietet eine attraktive Komplettlösung für die Einbindung der Windenergie in die Leitwarten der Netzbetreiber. Die dabei entwickelten Schnittstellen und die modulare Struktur des Programms ermöglichen eine einfache und schnelle Implementierung in beliebige Systemumgebungen. Basierend auf der Leistungsfähigkeit der Online- und Prognosemodelle werden Betriebsführungsstrategien für zu Clustern im Gigawattbereich zusammengefasste Windparks behandelt, die eine nach ökologischen und betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten sowie nach Aspekten der Versorgungssicherheit optimale Einbindung der geplanten Offshore-Windparks ermöglichen sollen.

Small World Folksonomies: Clustering in Tri-Partite Hypergraphs

Many recent Web 2.0 resource sharing applications can be subsumed under the "folksonomy" moniker. Regardless of the type of resource shared, all of these share a common structure describing the assignment of tags to resources by users. In this report, we generalize the notions of clustering and characteristic path length which play a major role in the current research on networks, where they are used to describe the small-world effects on many observable network datasets. To that end, we show that the notion of clustering has two facets which are not equivalent in the generalized setting. The new measures are evaluated on two large-scale folksonomy datasets from resource sharing systems on the web.

Mining association rules in folksonomies

Social bookmark tools are rapidly emerging on the Web. In such systems users are setting up lightweight conceptual structures called folksonomies. These systems provide currently relatively few structure. We discuss in this paper, how association rule mining can be adopted to analyze and structure folksonomies, and how the results can be used for ontology learning and supporting emergent semantics. We demonstrate our approach on a large scale dataset stemming from an online system.

Trend detection in folksonomies

As the number of resources on the web exceeds by far the number of documents one can track, it becomes increasingly difficult to remain up to date on ones own areas of interest. The problem becomes more severe with the increasing fraction of multimedia data, from which it is difficult to extract some conceptual description of their contents. One way to overcome this problem are social bookmark tools, which are rapidly emerging on the web. In such systems, users are setting up lightweight conceptual structures called folksonomies, and overcome thus the knowledge acquisition bottleneck. As more and more people participate in the effort, the use of a common vocabulary becomes more and more stable. We present an approach for discovering topic-specific trends within folksonomies. It is based on a differential adaptation of the PageRank algorithm to the triadic hypergraph structure of a folksonomy. The approach allows for any kind of data, as it does not rely on the internal structure of the documents. In particular, this allows to consider different data types in the same analysis step. We run experiments on a large-scale real-world snapshot of a social bookmarking system.

Verfahren zur echtzeitfähigen Simulation dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Schadstoffe von Ottomotoren

Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellbildungsverfahren zur echtzeitfähigen Simulation wichtiger Schadstoffkomponenten im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Es wird ein ganzheitlicher Entwicklungsablauf dargestellt, dessen einzelne Schritte, beginnend bei der Ver-suchsplanung über die Erstellung einer geeigneten Modellstruktur bis hin zur Modellvalidierung, detailliert beschrieben werden. Diese Methoden werden zur Nachbildung der dynamischen Emissi-onsverläufe relevanter Schadstoffe des Ottomotors angewendet. Die abgeleiteten Emissionsmodelle dienen zusammen mit einer Gesamtmotorsimulation zur Optimierung von Betriebstrategien in Hybridfahrzeugen. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Planung und Erstellung von komplexen, dynamischen und echtzeitfähigen Modellstrukturen aufgezeigt. Es beginnt mit einer physikalisch motivierten Strukturierung, die eine geeignete Unterteilung eines Prozessmodells in einzelne überschaubare Elemente vorsieht. Diese Teilmodelle werden dann, jeweils ausgehend von einem möglichst einfachen nominalen Modellkern, schrittweise erweitert und ermöglichen zum Abschluss eine robuste Nachbildung auch komplexen, dynamischen Verhaltens bei hinreichender Genauigkeit. Da einige Teilmodelle als neuronale Netze realisiert werden, wurde eigens ein Verfah-ren zur sogenannten diskreten evidenten Interpolation (DEI) entwickelt, das beim Training einge-setzt, und bei minimaler Messdatenanzahl ein plausibles, also evidentes Verhalten experimenteller Modelle sicherstellen kann. Zum Abgleich der einzelnen Teilmodelle wurden statistische Versuchs-pläne erstellt, die sowohl mit klassischen DoE-Methoden als auch mittels einer iterativen Versuchs-planung (iDoE ) generiert wurden. Im zweiten Teil der Arbeit werden, nach Ermittlung der wichtigsten Einflussparameter, die Model-strukturen zur Nachbildung dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Abgaskomponenten vor-gestellt, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffmonoxid (NO) sowie Kohlenmono-xid (CO). Die vorgestellten Simulationsmodelle bilden die Schadstoffkonzentrationen eines Ver-brennungsmotors im Kaltstart sowie in der anschließenden Warmlaufphase in Echtzeit nach. Im Vergleich zur obligatorischen Nachbildung des stationären Verhaltens wird hier auch das dynami-sche Verhalten des Verbrennungsmotors in transienten Betriebsphasen ausreichend korrekt darge-stellt. Eine konsequente Anwendung der im ersten Teil der Arbeit vorgestellten Methodik erlaubt, trotz einer Vielzahl von Prozesseinflussgrößen, auch hier eine hohe Simulationsqualität und Ro-bustheit. Die Modelle der Schadstoffemissionen, eingebettet in das dynamische Gesamtmodell eines Ver-brennungsmotors, werden zur Ableitung einer optimalen Betriebsstrategie im Hybridfahrzeug ein-gesetzt. Zur Lösung solcher Optimierungsaufgaben bieten sich modellbasierte Verfahren in beson-derer Weise an, wobei insbesondere unter Verwendung dynamischer als auch kaltstartfähiger Mo-delle und der damit verbundenen Realitätsnähe eine hohe Ausgabequalität erreicht werden kann.

Economics of Hybrid Photovoltaic Power Plants

The global power supply stability is faced to several severe and fundamental threats, in particular steadily increasing power demand, diminishing and degrading fossil and nuclear energy resources, very harmful greenhouse gas emissions, significant energy injustice and a structurally misbalanced ecological footprint. Photovoltaic (PV) power systems are analysed in various aspects focusing on economic and technical considerations of supplemental and substitutional power supply to the constraint conventional power system. To infer the most relevant system approach for PV power plants several solar resources available for PV systems are compared. By combining the different solar resources and respective economics, two major PV systems are identified to be very competitive in almost all regions in the world. The experience curve concept is used as a key technique for the development of scenario assumptions on economic projections for the decade of the 2010s. Main drivers for cost reductions in PV systems are learning and production growth rate, thus several relevant aspects are discussed such as research and development investments, technical PV market potential, different PV technologies and the energetic sustainability of PV. Three major market segments for PV systems are identified: off-grid PV solutions, decentralised small scale on-grid PV systems (several kWp) and large scale PV power plants (tens of MWp). Mainly by application of ‘grid-parity’ and ‘fuel-parity’ concepts per country, local market and conventional power plant basis, the global economic market potential for all major PV system segments is derived. PV power plant hybridization potential of all relevant power technologies and the global power plant structure are analyzed regarding technical, economical and geographical feasibility. Key success criteria for hybrid PV power plants are discussed and comprehensively analysed for all adequate power plant technologies, i.e. oil, gas and coal fired power plants, wind power, solar thermal power (STEG) and hydro power plants. For the 2010s, detailed global demand curves are derived for hybrid PV-Fossil power plants on a per power plant, per country and per fuel type basis. The fundamental technical and economic potentials for hybrid PV-STEG, hybrid PV-Wind and hybrid PV-Hydro power plants are considered. The global resource availability for PV and wind power plants is excellent, thus knowing the competitive or complementary characteristic of hybrid PV-Wind power plants on a local basis is identified as being of utmost relevance. The complementarity of hybrid PV-Wind power plants is confirmed. As a result of that almost no reduction of the global economic PV market potential need to be expected and more complex power system designs on basis of hybrid PV-Wind power plants are feasible. The final target of implementing renewable power technologies into the global power system is a nearly 100% renewable power supply. Besides balancing facilities, storage options are needed, in particular for seasonal power storage. Renewable power methane (RPM) offers respective options. A comprehensive global and local analysis is performed for analysing a hybrid PV-Wind-RPM combined cycle gas turbine power system. Such a power system design might be competitive and could offer solutions for nearly all current energy system constraints including the heating and transportation sector and even the chemical industry. Summing up, hybrid PV power plants become very attractive and PV power systems will very likely evolve together with wind power to the major and final source of energy for mankind.

The competitiveness of domestic rice production in East Africa: A domestic resource cost approach in Uganda

The rapid increase of rice imports in sub-Saharan Africa under the unstable situation in the world rice market during the 2000s has made it an important policy target for the countries in the region to increase self-sufficiency in rice in order to enhance food security. Whether domestic rice production can be competitive with imported rice is a serious question in East African countries that lie close, just across the Arabian Sea, to major rice exporting countries in South Asia. This study investigates the international competitiveness of domestic rice production in Uganda in terms of the domestic resource cost ratio. The results show that rainfed rice cultivation, which accounts for 95% of domestic rice production, does not have a comparative advantage with respect to rice imported from Pakistan, the largest supplier of imported rice to Uganda. However, the degree of non-competitiveness is not serious, and a high possibility exists for Uganda’s rainfed rice cultivation to become internationally competitive by improving yield levels by applying more modern inputs and enhancing labour productivity. Irrigated rice cultivation, though very limited in area, is competitive even under the present input-output structure when the cost of irrigation infrastructure is treated as a sunk cost. If the cost of installing irrigation infrastructure and its operation and maintenance is taken into account, the types of irrigation development that are economically feasible are not large-scale irrigation projects, but are small- and microscale projects for lowland rice cultivation and rain-water harvesting for upland rice cultivation.

Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients

In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren. Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren. WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin. Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.

Understanding Subsystems in Biology through Dimensionality Reduction, Graph Partitioning and Analytical Modeling

Biological systems exhibit rich and complex behavior through the orchestrated interplay of a large array of components. It is hypothesized that separable subsystems with some degree of functional autonomy exist; deciphering their independent behavior and functionality would greatly facilitate understanding the system as a whole. Discovering and analyzing such subsystems are hence pivotal problems in the quest to gain a quantitative understanding of complex biological systems. In this work, using approaches from machine learning, physics and graph theory, methods for the identification and analysis of such subsystems were developed. A novel methodology, based on a recent machine learning algorithm known as non-negative matrix factorization (NMF), was developed to discover such subsystems in a set of large-scale gene expression data. This set of subsystems was then used to predict functional relationships between genes, and this approach was shown to score significantly higher than conventional methods when benchmarking them against existing databases. Moreover, a mathematical treatment was developed to treat simple network subsystems based only on their topology (independent of particular parameter values). Application to a problem of experimental interest demonstrated the need for extentions to the conventional model to fully explain the experimental data. Finally, the notion of a subsystem was evaluated from a topological perspective. A number of different protein networks were examined to analyze their topological properties with respect to separability, seeking to find separable subsystems. These networks were shown to exhibit separability in a nonintuitive fashion, while the separable subsystems were of strong biological significance. It was demonstrated that the separability property found was not due to incomplete or biased data, but is likely to reflect biological structure.

A Multi-scale Model for Copper Dishing in Chemical-Mechanical Polishing

The present success in the manufacture of multi-layer interconnects in ultra-large-scale integration is largely due to the acceptable planarization capabilities of the chemical-mechanical polishing (CMP) process. In the past decade, copper has emerged as the preferred interconnect material. The greatest challenge in Cu CMP at present is the control of wafer surface non-uniformity at various scales. As the size of a wafer has increased to 300 mm, the wafer-level non-uniformity has assumed critical importance. Moreover, the pattern geometry in each die has become quite complex due to a wide range of feature sizes and multi-level structures. Therefore, it is important to develop a non-uniformity model that integrates wafer-, die- and feature-level variations into a unified, multi-scale dielectric erosion and Cu dishing model. In this paper, a systematic way of characterizing and modeling dishing in the single-step Cu CMP process is presented. The possible causes of dishing at each scale are identified in terms of several geometric and process parameters. The feature-scale pressure calculation based on the step-height at each polishing stage is introduced. The dishing model is based on pad elastic deformation and the evolving pattern geometry, and is integrated with the wafer- and die-level variations. Experimental and analytical means of determining the model parameters are outlined and the model is validated by polishing experiments on patterned wafers. Finally, practical approaches for minimizing Cu dishing are suggested.

A Multi-scale Model for Copper Dishing in Chemical-Mechanical Polishing

The present success in the manufacture of multi-layer interconnects in ultra-large-scale integration is largely due to the acceptable planarization capabilities of the chemical-mechanical polishing (CMP) process. In the past decade, copper has emerged as the preferred interconnect material. The greatest challenge in Cu CMP at present is the control of wafer surface non-uniformity at various scales. As the size of a wafer has increased to 300 mm, the wafer-level non-uniformity has assumed critical importance. Moreover, the pattern geometry in each die has become quite complex due to a wide range of feature sizes and multi-level structures. Therefore, it is important to develop a non-uniformity model that integrates wafer-, die- and feature-level variations into a unified, multi-scale dielectric erosion and Cu dishing model. In this paper, a systematic way of characterizing and modeling dishing in the single-step Cu CMP process is presented. The possible causes of dishing at each scale are identified in terms of several geometric and process parameters. The feature-scale pressure calculation based on the step-height at each polishing stage is introduced. The dishing model is based on pad elastic deformation and the evolving pattern geometry, and is integrated with the wafer- and die-level variations. Experimental and analytical means of determining the model parameters are outlined and the model is validated by polishing experiments on patterned wafers. Finally, practical approaches for minimizing Cu dishing are suggested.

A mixed H2/H∞-based semiactive control for vibration mitigation in flexible structures

In this paper, we address this problem through the design of a semiactive controller based on the mixed H2/H∞ control theory. The vibrations caused by the seismic motions are mitigated by a semiactive damper installed in the bottom of the structure. It is meant by semiactive damper, a device that absorbs but cannot inject energy into the system. Sufficient conditions for the design of a desired control are given in terms of linear matrix inequalities (LMIs). A controller that guarantees asymptotic stability and a mixed H2/H∞ performance is then developed. An algorithm is proposed to handle the semiactive nature of the actuator. The performance of the controller is experimentally evaluated in a real-time hybrid testing facility that consists of a physical specimen (a small-scale magnetorheological damper) and a numerical model (a large-scale three-story building)

W3233 -- Networks and Complexity in Social Systems (Collective Dynamics Group ISERP -- Columbia University) Course Syllabus

The Networks and Complexity in Social Systems course commences with an overview of the nascent field of complex networks, dividing it into three related but distinct strands: Statistical description of large scale networks, viewed as static objects; the dynamic evolution of networks, where now the structure of the network is understood in terms of a growth process; and dynamical processes that take place on fixed networks; that is, "networked dynamical systems". (A fourth area of potential research ties all the previous three strands together under the rubric of co-evolution of networks and dynamics, but very little research has been done in this vein and so it is omitted.) The remainder of the course treats each of the three strands in greater detail, introducing technical knowledge as required, summarizing the research papers that have introduced the principal ideas, and pointing out directions for future development. With regard to networked dynamical systems, the course treats in detail the more specific topic of information propagation in networks, in part because this topic is of great relevance to social science, and in part because it has received the most attention in the literature to date.

Modelling for Problem Solving in the Large

This a short presentation which introduces how models and modelling help us to solve large scale problems in the real world. It introduces the idea that dynamic behaviour is caused by interacting components in the system. Feedback in the system makes behaviour prediction difficult unless we use modelling to support understanding

“La Felicidad incluye a todos”. La construcción de un barrio mezclado en Bogotá.

El trabajo se enmarca en las discusiones relacionadas con segregación espacial, segregación social y construcción de barrios mezclados. Específicamente, selecciona el caso de La Felicidad: ciudad parque en Bogotá como un ejemplo que sirve para analizar las políticas públicas enfocadas en disminuir la segregación residencial en la ciudad a partir de la construcción de un vecindario que está compuesto por vivienda de interés social y vivienda regular. A partir de métodos cuantitativos y cualitativos se analiza cómo esta funcionando esta propuesta urbana.