Entwicklung eines Konzepts zur Software-Hardware-Kommunikation und Regelung der Versuchseinrichtung "District LAB"

Ziel dieser Masterarbeit ist es zu beantworten, welche Regelung für die HIL-Einheiten des geplanten ""District LABs"" geeignet sind und welche Regelparameter eingestellt werden müssen, um die geplanten Szenarien mit möglichst geringer Abweichung zu gegebenen Lastprofilen effizient umzusetzen. Hierfür werden zunächst die hydraulischen Komponenten gemäß den vorhandenen Unterlagen in MATLAB/Simulink mit Hilfe der Carnot-Toolbox modelliert. Anschließend wird das Übertragungsverhalten von den Wärmeübertragern aufgenommen und ausgewertet. Danach werden die Kennlinien von den Drosseln und Wärmepumpen analysiert. In Kombination mit den technischen Anforderungen werden passende Regelstrukturen für die einzelnen Komponenten entwickelt. Für den Wärmeübertrager zwischen HIL-Einheit und DHC wird eine Vorsteuerung zur Regelung der Leistung und zum Entkoppeln von Leistungsregelung und Temperaturregelung entwickelt. Die Temperaturregelung wird durch einen PI-Regler realisiert. Diese Regelstruktur wird auf den WÜ von HC und CC übertragen. Zum Einbinden der vorgeschalteten Drosseln müssen die P und I Werte angepasst werden. Zur Regelung der Wärmepumpe wird ein virtueller Speicher implementiert, Da die Wärmepumpen nur bei bestimmten Leistungsstufen arbeiten können. Die variable Leistungsabnahmewird damit einhergehend in einer virtuellen HIL-Einheit realisiert. Für die Wärmepumpe selbst wird ein Zweipunktregler kombiniert mit einer vorgesteuerten Volumenstromregelung implementiert. Diese wird durch einen Integrator korrigiert, um Abweichungen zwischen Datenblatt und realen Komponenten auszugleichen. Die einzelnen Komponenten werden zu Gesamtmodellen der HIL-Einheiten zusammengesetzt und um eine Steuerung erweitert. Die richtige Funktionsweise dieser Modelle wird in Testszenarien nachgewiesen. Dabei fällt auf, dass aufgrund der Bauweise und Auslegung kleine Leistungen nicht umsetzbar sind. Abschließend werden Maßnahmen vorgeschlagen, um den nicht erreichbaren Leistungsbereich zu minimieren.

The objective of this master thesis is to answer what kind of control is suitable for the HIL units of the planned "District LAB" and which control parameters must be set to efficiently implement the planned scenarios with as little deviation as possible from given load profiles. For this purpose, the hydraulic components are first modeled in MATLAB/Simulink using the Carnot toolbox according to the available documentation. Then, the transfer behavior of the heat exchangers is recorded and evaluated. Afterwards, the characteristic curves of the chokes and heat pumps are analyzed. In combination with the technical requirements, suitable control structures are developed for the individual components. For the heat exchanger between the HIL unit and the DHC, a feedforward control is developed to control the power and to decouple power control and temperature control. The temperature control is realized by a PI controller. This control structure will be transferred to the heat exchanger of HC and CC. To integrate the upstream reactors, the P and I values must be adapted. A virtual heat storage is implemented to control the heat pump, since the heat pumps can only operate at certain power levels. The variable power consumption is implemented in a virtual HIL unit. For the heat pump itself, a two-point controller combined with a pilot-controlled volume flow control is implemented. This is corrected by an integrator to compensate for deviations between the data sheet and the real components. The individual components are assembled into overall models of the HIL units and extended by a controller. The correct functioning of these models is verified in test scenarios. It is found that due to the construction and design, small outputs cannot be implemented. Finally, measures are proposed to minimize the unachievable performance range.