Nichtlineare Modellprädiktive Regelung von Modular Multilevel Converter-basierten Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungssystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Hackl
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510267132

Dieses Projekt zielt darauf ab, high- & low-level MPC-Algorithmen für MMC-basierte HGÜ-Systeme zu entwickeln. Die high-level MPC- Regelung ersetzt die konventionellen PI-Regler, gibt energetische Ober- und Untergrenzen vor und regelt so die gespeicherte Energie in den Zellkapazitäten der beiden MMCs in einer koordinierten Art und Weise. Die low-level MPC-Regelung arbeitet lokal in jedem MMC, um die bestmögliche stationäre und transiente Reglerperformanz zu erzielen. Die Kombination der beiden MPC-Reglerebenen ermöglicht einen optimalen Betrieb des geregelten MMC-basierten HG-Systems im gesamten Betriebsbereich (inklusive nicht-idealer Betriebszustände; wie z. B.~beliebige Netzfehler) und an seinen physikalischen Grenzen. Damit können u. a. Zellkapazitäten reduziert und ein kostengünstigeres Gesamtsystem erzielt werden. Zusammenfassend sollen die folgenden Projektziele (Zi) erreicht werden: (Z1) Bestmögliche stationäre Reglerperformanz: Es sollen Netzströme & -spannungen erzeugt werden, die die entsprechenden Netzanschlussbedingungen erfüllen ohne zusätzliche Netzfilter einzusetzen dabei aber minimal mögliche Schaltfrequenzen nutzen zu können. Damit wird der bekannte Trade-Off zwischen Total Harmonic Distortion (THD) und Schaltfrequenz (bzw. Schaltverlusten) nahezu aufgelöst. (Z2) Maximale Erhöhung der Reglerbandbreite, um schnellstmöglich auf Netzstörungen und -fehler reagieren zu können: Das System soll einen unterbrechungsfreien Betrieb auch für gestörte oder fehlerhafte Netze (z. B. mit beliebigen Spannungseinbrüchen, Frequenzschwankungen, Asymmetrien, Oberwellen und ein-/mehrphasigen Fehlern) garantieren. Durch die erhöhte Reglerbandbreite werden schnellstmögliche Reglereingriffe möglich und z. B.~frühzeitige Sicherheitsabschaltungen oder Beschädigungen des Systems durch Überströme vermieden. (Z3) Maximale Kostenreduktion des Gesamtsystems: Durch die koordinierte MPC- Regelung wird ein effektiverer und effizienterer Betrieb des Systems an seinen physikalischen Grenzen bei geringerem (Eigen-)Leistungsbedarf möglich. Als Konsequenz können u.a. Energiespeicherelemente kleiner dimensioniert und auf zusätzliche Netzfilter verzichtet werden, was die Kosten weiter reduziert. (Z4) Verringerung der Rechenzeit, um eine echtzeitfähige Implementierung zu erreichen: Durch eine recheneffiziente Formulierung der high- und low-level MPC-Optimierungsprobleme (als "convex quadratic programme" bzw. "integer polynomial programme") können echtzeitfähige Lösungsverfahren eingesetzt und damit eine Implementierung und Ausführung in Realzeit garantiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland
• Großgeräte: Dreiphasige Netzsimulationseinrichtung
• Gerätegruppe: 6430 Digital anzeigende Meßgeräte für Spannung, Strom, Widerstand
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Petros Karamanakos