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HVDC-MMC_mit_MPC: Ein neues Verfahren für die Reduktion der Verlustleistung von MMC-Höchstspannungs-Umrichtern mittels MPC

Arbeitsgruppe:AG Optimierung und Optimale Steuerung
Leitung: Prof. Dr. Christof Büskens ((0421) 218-63861, E-Mail: bueskens@math.uni-bremen.de )
Bearbeitung: Dr. Chathura Wanigasekara (E-Mail: chathura@uni-bremen.de)
Projektförderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Projektpartner: Institut für Automatisierungstechnik (IAT), Universität Bremen
Siemens AG
Laufzeit: 01.07.2020 - 30.06.2023
Bild des Projekts HVDC-MMC_mit_MPC: Ein neues Verfahren für die Reduktion der Verlustleistung von MMC-Höchstspannungs-Umrichtern mittels MPC Um erneuerbare Energien bestmöglich zu nutzen, müssen regenerative Energieerzeugungsanlagen dort errichtet werden, wo die entsprechende Energieform in ausreichender Menge vorhanden ist. Vor allem Offshore-Windparks im Norden Deutschlands befinden sich dadurch weit entfernt von energieintensiven Industrien in Mittel- und Süddeutschland. Daraus ergibt sich zunehmend die Notwendigkeit, große Mengen elektrischer Energie über weite Entfernungen transportieren zu müssen. Besonders verlustarm und unterirdisch in Form von See- und Erdkabeln ist dies mit Übertragungsleitungen möglich, die mit Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC) arbeiten. Für diese Technologie ist wiederum der Einsatz von Höchstspannungsumrichtern erforderlich, die Gleich- in Wechselstrom (und umgekehrt) auf entsprechend hohen Spannungsniveaus konvertieren können. Ziel des Projekts ist, durch die Verwendung von optimalen Regelungsalgorithmen in Höchstspannungsumrichtern den Wirkungsgrad von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecken zu verbessern.
Im Zentrum des Forschungsprojekts steht die Entwicklung, Implementierung und Erprobung einer leistungs- und echtzeitfähigen, nichtlinearen modellprädiktiven Reglers (NMPC) zur Regelung eines modularen Höchstspannungs-Wechselrichters (HVDC-MMC). Ein NMPC-Regler verfügt intern über ein vereinfachtes Modell der vollständigen Prozessdynamik, welches genutzt wird, um den zukünftigen Verlauf der Prozessvariablen über einen begrenzten Zeitraum vorherzusagen. Für ein gegebenes Kostenfunktional kann mit Hilfe eines numerischen Optimierungsverfahrens die optimale Arbeitsweise über den betrachteten zukünftigen Zeithorizont ermittelt werden. An den Prozess übergeben wird jedoch nur der erste Schritt der optimalen Lösung. Im nächsten Abtastschritt erfolgt dann eine Verschiebung des betrachteten Zeitraums, und die gesamte Berechnung wird erneut durchgeführt. Durch diese Vorgehensweise werden in jedem Zeitschritt neue Messwerte einbezogen und damit nicht gemessene Störgrößen und Abweichungen zwischen Prozessmodell und realem Prozessverhalten berücksichtigt.
Da in jedem Schritt die Lösung des Optimierungsproblems Berechnungszeit in Anspruch nimmt, ist bei der Umsetzung von NMPC-Verfahren in hochdynamischen Echtzeitanwendungen der Umgang mit Begrenzungen von Berechnungszeit und -kapazitäten eine Herausforderung. Hierzu soll ein völlig neuer, auf die charakteristischen technologischen Eigenschaften von Umrichtern zugeschnittener Ansatz verfolgt werden, der es ermöglicht, das Rechenzeitproblem trotz der hochfrequenten Schaltvorgänge zu bewältigen und die Vorteile der NMPC-Verfahren zur Verlustminimierung in Höchstspannungsumrichtern einzusetzen.

Bild: „Middelgruden Offshore Wind Farm in Denmark“ von United Nations Photo, lizenziert unter CC BY-NC-ND 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/)
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