Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

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  • Publication
    Outlier detection methods for uncovering of critical events in historical phasor measurement records
    ( 2018)
    Kummerow, Andre
    ;
    Nicolai, Steffen
    ;
    Bretschneider, Peter
    The scope of this survey is the uncovering of potential critical events from mixed PMU data sets. An unsupervised procedure is introduced with the use of different outlier detection methods. For that, different techniques for signal analysis are used to generate features in time and frequency domain as well as linear and non-linear dimension reduction techniques. That approach enables the exploration of critical grid dynamics in power systems without prior knowledge about existing failure patterns. Furthermore new failure patterns can be extracted for the creation of training data sets used for online detection algorithms.
  • Publication
    Dynamic simulation of low-voltage distribution grid with integration of power electronics coupled loads and generators
    ( 2018)
    Yang, Shangdan
    ;
    Ruhe, Stephan
    ;
    Schaller, Falk
    ;
    Nicolai, Steffen
    ;
    Bretschneider, Peter
    More and more active components, i.e. renewable generators, controllable loads, and storages, were integrated to low-voltage distribution grids. They were often interfaced with power electronics and their active participation in the power system may lead to voltage instabilities and power quality problems. Therefore, one research topic was to analyse the dynamic interactions between these active components, and to develop appropriate control architecture and techniques, which are able to avoid the corresponding instabilities and improve the power quality in the low voltage grids. One challenge of such dynamic simulation was to simulate the interacted system with time resolution of millisecond and to ensure the synchronization between them. In this paper, the suitable dynamic models of single-phase power electronic load and three-phase power electronic generator were conducted. These dynamic models were simulated and validated by the voltage-step-response, respectively. The voltage unbalance was used to quantify the interactions between the dynamic models and grid. In the steady state, the power electronic load induced less voltage unbalance comparing to the conventional passive load, because the power electronic load had better power factor. In certain dynamic processes, with the higher penetration of PE components in the LV grid, we observed the significant increase of voltage unbalance, which was induced by the interactions between the controllers of the active components. Such effects should be considered in the design of low-voltage gird system and its components.
  • Publication
    Konzept für ein energieeffizientes Industriegebiet Erfurter Kreuz
    ( 2018)
    Flemming, Sebastian
    ;
    Nicolai, Steffen
    ;
    Bretschneider, Peter
    Im Projekt: "Konzept für ein energieeffizientes Industriegebiet Erfurter Kreuz" wurden mögliche Synergiepotentiale bei einer energetischen Kopplung von mehreren räumlich benachbarten bzw. in einem Industriegebiet ansässigen Unternehmen untersucht und ökonomisch und ökologisch bewertet. Im Fokus der Untersuchung standen Varianten zur energetischen Kopplung für verschiedene Energieformen bis hin zur Integration zusätzlicher Erzeugungsanlagen zur nachhaltigen Bereitstellung von elektrischer und/oder thermischer Energie.
  • Publication
    Modelling and simulation of electrical phenomena in a real time test bench
    ( 2018)
    Ruhe, Stephan
    ;
    Nicolai, Steffen
    ;
    Bretschneider, Peter
    The energy transition main targets are increase of energy efficiency and promotion of renewable technologies, hence the number of components with power electronics is growing in the electrical system. The research project VEREDELE examines these effects and resulting interactions in order to identify possible challenges and develop suitable solutions. Especially active components, such as electric vehicles, pose major challenges for the modelling and simulation of these devices. The Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) test bed that built up is a solution to this problem and allows the integration of real devices (loads and feeds) into a grid simulation. A model library developed for system tests, which makes it possible to generate any system states to monitor the real behaviour of the equipment and to conclude on potential critical grid states. Furthermore, the characteristics of the signal source of the simulation system examined in this paper and an evaluation of the usability of the system for the intended investigations is given.
  • Publication
    Ensemble approach for automated extraction of critical events from mixed historical PMU data sets
    ( 2018)
    Kummerow, Andre
    ;
    Nicolai, Steffen
    ;
    Bretschneider, Peter
    The scope of this survey is the automated extraction of critical events from mixed PMU data sets without prior knowledge about existing failure patterns. An unsupervised procedure is introduced that identifies arbitrary disturbance types (e.g. voltage sags, frequency drops, oscillations) using an ensemble outlier detection approach. For that, different techniques for signal analysis are used to generate features in time and frequency domain. That approach enables the exploration of critical grid dynamics in power systems. Furthermore new failure patterns can be extracted for the creation of training datasets used for online detection algorithms.
  • Publication
    Bedarfsanalyse Energiespeicher 2 - Auswirkungen der räumlichen Verteilung von Anlagen zur Stromerzeugung und Bewertung von Energieausgleichstechnologien. Abschlussbericht
    ( 2017)
    Beier, Carsten
    ;
    Winkel, Michael
    ;
    Wrobel, Patrick
    ;
    Bretschneider, Peter
    ;
    Nicolai, Steffen
    ;
    Kharboutli, Samir
    ;
    Monsalve, Cristian
    Im Rahmen des Vorhabens wurden eine Methodik und die dafür notwendigen Modelle entwickelt, um die Aufstellungsorte von Stromerzeugern hinsichtlich der Auswirkungen auf das Stromversorgungssystem bewertet werden zu können. Weiterhin wurde der Energieausgleichsbedarf sowohl in deutschlandweiten Szenarien als auch innerhalb von Regionen untersucht. Ein weiteres Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Modells, mit dem verschiedene Energieausgleichsoptionen und ihre Kombinationen in ihrer zeitlichen und räumlichen Dynamik abgebildet und bewertet werden können. Dabei wurden die individuellen Charakteristiken sowie Vor- und Nachteile der verschiedenen Energieausgleichsoptionen berücksichtigt. Es wurden Technologien zur Stromerzeugung und zum Energieausgleich eruiert und charakterisiert. Anschließend wurden zwei Referenzregionen ausgewählt und Optimierungsziele definiert. Im nächsten Schritt wurde mit Hilfe von Simulationsrechnungen eine optimale Verteilung der betrachteten Stromerzeuger entwickelt und der deutschlandweite Energieausgleichsbedarf in den Regionen berechnet. Es wurde die Datenbasis für die Simulationen in den Referenzregionen erarbeitet sowie Szenarien definiert. Anschließend wurden die Ausgleichsoptionen und die relevante Netzebenen in den Referenzregionen modelliert. Abschließend erfolgte eine zusammenfassende Bewertung der Simulationsergebnisse sowie des Einflusses der Aufstellungsorte von Stromerzeugern und der Energieausgleichsoptionen auf den Energieausgleichsbedarf.
  • Publication
    Mit dem Internet der Dinge vom Gebäude- zum Quartiersenergiemanagement
    ( 2016)
    Bretschneider, Peter
    ;
    Bernard, Thomas
    ;
    Herzog, Reinhard
    ;
    Tippmann, V.
    ;
    Warweg, Oliver
    ;
    Naumann, Steffi
    Kleine und mittlere Liegenschaften verfügen häufig nur über unabhängige Automatisierungssysteme für die jeweiligen Gewerke (""Insel-Lösungen"), wobei die erfassten Daten in der Regel nicht systematisch ausgewertet und für eine energetisch optimierte Betriebsführung genutzt werden. Offene IoT (Internet of Things)-Plattformen können in Zukunft einen Beitrag leisten, um für eine Liegenschaft eine gewerkeübergreifende, energieoptimierte Gebäudebewirtschaftung zu ermöglichen. Erweitert man diesen Ansatz auf die Liegenschaften eines Quartiers in Form eines sektorübergreifenden Quartiersenergiemanagements (District Energy Management, DEMS), können zusätzliche Energieeinspar- und Flexibilitätspotentiale erschlossen und neue Geschäftsmodelle generiert werden. Im Rahmen des Deutsch-Französischen Projektes EBITA (Exploiting the Scientific and Business Potential when Integrating Smart Data Analytics into Internet of Things Applications) werden Lösungen erarbeitet, die das Potential des Internet der Dinge im Bereich Smart Building und Smart Grid erschließen, um durch die Zusammenführung von Informationen aus den existierenden heterogenen ICT-Infrastrukturen einen Beitrag für die optimale Systemintegration und Betriebsführung erneuerbarer Energien zu leisten. Dabei sollen u.a. Möglichkeiten für neue digitale Dienste erarbeitet werden. Durch eine neuartige Verknüpfung der Anwendungsgebiete Smart Building und Smart Grid wird ein sektorübergreifender Ansatz für ein Quartiersenergiemanagement (District Energy Management) erarbeitet. In Demonstratoren am Fraunhofer IOSB (Karlsruhe, Ilmenau) und der Sorbonne Universität (Paris) wird das Konzept prototypisch umgesetzt. Dabei wird auch ein systemischer Ansatz zur Integration der Zielstellungen aller Akteure unter Berücksichtigung der Randbedingungen des liberalisierten Energiemarktes verfolgt.
  • Publication
    Sensitivity analysis of adiabatic compressed air energy storage
    ( 2016)
    Rublack, Liane
    ;
    Warweg, Oliver
    ;
    Bretschneider, Peter
    ;
    Freund, Sebastian
    ;
    Bieber, Mathilde
    The increasing use of fluctuating renewable energy represents a challenge for the German electricity market. Electricity storage plants can provide flexibility to the energy system and the development of new, efficient and economical energy storage technologies is of great importance. In this paper, the use of compressed air energy storage plants in the German electricity market is simulated and a sensitivity analysis is carried out. The optimization of the system is done to minimize at each time step the total system costs. The analysis shows the influence of storage plant parameters such as efficiency, storage capacity and natural gas usage on the dispatch and operation hours. It is performed over one year and for three different future scenarios. The results indicate that utilization of storage plants will increase in each scenario considered from 2025 to 2035 but remains in most cases significantly below the maximum capacity of 3000 h/a power generation. While the operation of storage plants lowers the total electricity cost, earnings per plant and profits are not necessarily positive: the wholesale price signals do not create enough revenues to justify the investment in CAES plants.