Sonstige Veröffentlichungen (Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft)

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http://hdl.handle.net/2003/33914

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Towards data-driven stochastic predictive control
(2023-08-02) Pan, Guanru; Ou, Ruchuan; Faulwasser, Timm
Data-driven predictive control based on the fundamental lemma by Willems et al. is frequently considered for deterministic LTI systems subject to measurement noise. However, little has been done on data-driven stochastic control. In this paper, we propose a data-driven stochastic predictive control scheme for LTI systems subject to possibly unbounded additive process disturbances. Based on a stochastic extension of the fundamental lemma and leveraging polynomial chaos expansions, we construct a data-driven surrogate optimal control problem (OCP). Moreover, combined with an online selection strategy of the initial condition of the OCP, we provide sufficient conditions for recursive feasibility and for stability of the proposed data-driven predictive control scheme. Finally, two numerical examples illustrate the efficacy and closed-loop properties of the proposed scheme for process disturbances governed by different distributions.
Agent-based optimal energy management for distribution grids with industrial and residential flexibility
(2024) Sarma, Debopama Sen; Rehtanz, Christian; Lehtonen, Matti
The ongoing energy transition has led to a paradigm shift in distribution power systems infrastructure and operations owing to the ever-increasing volume of intermittent renewable energy generation and electricity consumption across several recently developed sectors. Integrating previously separated energy sectors and electricity market liberalization transforms the distribution system environment into a complex system that includes several participants with conflicting interests. Therefore, innovative approaches to optimal and efficient energy management of available resources are paramount to achieving sustainability goals through economic, environmental, social, and technical factors. This dissertation presents an agent-based hierarchical energy management architecture that draws from research and practically applies to the liberalized electricity market. The architecture is designed to solve a multi-objective optimization routine for distribution grid operation in a distributed way. An online feedback mechanism is a vital feature of the optimization algorithm, which is solved in collaboration with the agents representing the various participants in a distribution grid ecosystem. A unique combination of Tchebycheff's decomposition and the Gradient projection method is used to solve the constrained and multi-objective optimal power flow problem. Adding penalty functions to the objective function effectively handles the system constraints. The formulation of industrial and residential demand profiles incorporates socio-behavioral aspects of the connected prosumers, reflecting their economic, behavioral, or environmental goals. The energy management architecture and its optimization function are then applied in a co-simulation framework to study the impact of industrial and residential flexibility on the connected distribution grid's economic, environmental, and technical aspects. The results provide valuable indicators for distribution grid planning and operation under future renewable generation and flexible load integration scenarios.
On the identification and analysis of ICT-induced stability risks in cyber-physical energy systems
(2024) Klaes, Marcel; Rehtanz, Christian; Lehnhoff, Sebastian
This thesis addresses emerging ICT-based stability risks for cyber-physical energy systems (CPESs) in light of the increasingly complex task of coordinating modern generation and consumption assets in power grids. It does so by identifying cyber-physical services as the main drivers of interdependence first. It then provides a general approach on how to assess such a service's dependence on data in general and its sensitivity towards the high-level ICT error categories "latency", "data loss" and "data corruption" in particular. Based on these results, the service states "normal", "limited", and "failed" are introduced in order to summarise the findings in an abstract and more widely applicable as well as comparable manner. These aggregated service states are required as additional inputs for the main method which determines how disturbances propagate through modern CPESs. This method is first presented with a focus on static stability and is later extended to also incorporate dynamic stability phenomena. The resulting disturbance propagation, combined with the service states and the ENTSO-E state description for power systems, can be used to derive a summarising state trajectory which helps compare different CPES layouts and control designs concerning their stability.
Netzdienliche Flexibilitätsnutzung in der Planung elektrischer Verteilnetze unter Berücksichtigung des gesamten Energiesystems
(2024) Schmid, Dennis; Rehtanz, Christian; Moser, Albert
Durch die Elektrifizierung des Verkehrs- und Wärmesektors sowie die Erhöhung der installierten Leistung von Erneuerbare-Energien-Anlagen (EEA) müssen neue flexible Verbraucher und Erzeuger in die elektrischen Verteilnetze integriert werden. Um das Dargebot der EEA zu nutzen und die Erzeugung aus konventionellen Kraftwerken gering zu halten, kann die Flexibilität marktdienlich bewirtschaftet werden und orientiert sich somit am Zustand des gesamten Energiesystems. Dadurch kann situativ eine hohe Gleichzeitigkeit im Verhalten von Anlagen auftreten, sodass eine erhöhte Belastung der elektrischen Verteilnetze resultiert. Die Netzbetreiber sind gesetzlich dazu verpflichtet weiterhin eine normgerechte Versorgung mit Elektrizität unter Berücksichtigung volkswirtschaftlicher Effizienz sicherzustellen. Dazu wurden bisher vorrangig Netzausbaumaßnahmen geplant und umgesetzt. Alternativ besteht im Einklang mit dem Energiewirtschaftsgesetz auch die Möglichkeit, flexible Anlagen netzdienlich zu nutzen, um Grenzwertverletzungen zu vermeiden. Wird ein Netz unter Berücksichtigung netzdienlicher Flexibilitätsnutzung geplant, sind im Betrieb situativ Redispatchmaßnahmen notwendig. Somit üben lokale Netzrestriktionen einen Einfluss auf das mögliche Verhalten der flexiblen Anlagen aus und die Flexibilität steht ggf. nicht dem übrigen System zur Verfügung. In der vorliegenden Arbeit wird eine methodische Vorgehensweise präsentiert, welche die Untersuchung der Wechselwirkungen einer netzdienlichen Flexibilitätsnutzung in der Planung mit dem gesamten Energiesystem ermöglicht. Dazu wird eine bestehende Markt- und Übertragungsnetzsimulationsumgebung um Module zur Modellierung der Verteilnetzebene erweitert. Diese Module beinhalten Methoden, um repräsentative Netzstrukturen und Regionen zu identifizieren, in denen flexible Anlagen verortet und mittels disaggregierter Zeitreihen einer fundamentalen Marktsimulation beschrieben werden. Eine Netzausbausimulation unter Berücksichtigung netzdienlicher Flexibilitätsnutzung ermöglicht die Identifikation des notwendigen Netzverstärkungsbedarfs in der Hoch-, Mittel- und Niederspannungsebene. Im Anschluss werden die notwendigen Einschränkungen des marktdienlichen Anlageneinsatzes über die Auswertung von Netzrestriktionen bestimmt. Die Auswirkungen auf den Anlageneinsatz im Kontext des gesamten Energiesystems werden mittels Aggregation der Restriktionen und Erweiterung der Marktsimulation modelliert. Die entwickelte Simulationsumgebung wird mit Fokus auf die Niederspannungsebene exemplarisch für das Szenario B2035 des Netzentwicklungsplans 2021 angewendet.
Coordination of impedance controllers and flexible power for curative congestion management in real-time applications
(2024) Pohl, Oliver; Rehtanz, Christian; Westermann, Dirk
As the share of feed-in from renewable energy sources rises in German electricity grids, established preventive congestion management processes are called into question. Curative congestion management may increase the utilization of already existing grid capacity without the large investments necessary for conventional grid expansion. The curative paradigm shift requires fast reacting remedial measures, such as innovative power flow controlling devices, as well as reliable algorithms to determine and activate them in due time. This work shows how an automated system can coordinate distributed FACTS devices, that influence a power line's series reactance, and active power from flexible units to solve line overloads in high voltage grids. First, linear sensitivities for gradual reactance changes are derived. Based on this, an optimization and a heuristic approach for automated curative coordination of both types of remedial measures is conceptualized as well as implemented and tested in simulations. Then, the heuristic approach is implemented within a distributed agent-based control algorithm, along with fallback strategies to be executed if agent communication fails. This system is then tested in a laboratory setup to evaluate its real-time applicability. The laboratory setup consists of multiple (Power) Hardware-in-the-Loop modules to create an experimental environment considering many real-world factors that are usually neglected in software simulations. This way, not just the agent algorithm itself, but also the influence of communication delays, reaction times of real power flow controlling devices as well as the integration into a control center environment are evaluated.
Impact of ICT latency, data loss and data corruption on active distribution network control
(2023-02-08) Klaes, Marcel; Zwartscholten, Jannik; Narayan, Anand; Lehnhoff, Sebastian; Rehtanz, Christian
The ongoing changes in modern power systems towards increasingly decentralized systems render the coordination of generation assets and the corresponding dependency on Information and Communication Technology highly relevant. This work demonstrates the impact of three types of ICT errors, namely delayed data, data loss and data corruption, on the control of distributed energy resources in an active distribution network. The settling time of the active power response at the interconnection point between the distribution and transmission system is investigated in the simulations. Additionally, two fallback strategies to mitigate the impact of data loss are proposed and evaluated with regard to their impact on the controller’s response. Finally, a generalized, aggregated service state description is proposed in order to capture the performance of the active distribution network service. It is meant to improve the interpretability of the results, which can be used to compare service designs and setups.
Verfahren zur adaptiven Identifikation von Mittelspannungsteilnetzen durch den Einsatz des maschinellen Lernens
(2023) Puhe, Frederik; Rehtanz, Christian; Zdrallek, Markus
Im Rahmen dieser Dissertation wird ein Verfahren zur Identifikation von Teilnetzen in der Mittelspannungsebene entwickelt. Die Besonderheit liegt vor allem in der adaptiven Implementierung und Erweiterung in Ortsnetzstationen durch den Einsatz von Virtualisierungslösungen und Algorithmen des maschinellen Lernens. Der Begriff Teilnetz beschreibt eine physikalisch vom Verbundsystem isolierte und von der Größe unbestimmte Versorgungsstruktur, welche aufgrund auftretender Störungen unbeabsichtigt weiter betrieben wird. Die Modellierung der Testumgebung und die darauf zugrunde liegende Bewertung der Funktionsweise des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Teilnetzidentifikationsverfahrens erfolgt anhand dynamischer Netzsimulationen in MATLAB Simulink© sowie durch eine Hardware-in-the-Loop Simulation unter Verwendung eines Echtzeitsimulators.
Modellierung und Klassifizierung von elektrischen Energiesystemen zum Benchmarking von statischen Netzanalysen
(2023) Sarajlić, Džanan; Rehtanz, Christian; Braun, Martin
Die Entwicklungen im Rahmen der Energiewende führen zu einer Transformation des elektrischen Energiesystems. Dabei ergeben sich neue Herausforderungen und Fragestellungen, die in Forschungsaktivitäten untersucht werden. Diese Untersuchungen erfordern häufig Analysen in Stromnetzen, wofür wiederum Netzmodelle benötigt werden. Eine gute wissenschaftliche Praxis erfordert dabei Transparenz und Vergleichbarkeit, welche mithilfe von Benchmark-Netzmodellen unterstützt werden kann. Diese Arbeit widmet sich dem Prozess der Modellierung solcher Benchmark-Netzmodelle. Dabei wird zunächst der Begriff Benchmarking im Kontext von Netzanalysen in elektrischen Energiesystemen geschärft, da keine festgelegte Definition vorhanden ist. Zudem werden Kenngrößen zur Charakterisierung von elektrischen Netzen analysiert, gruppiert und priorisiert. In Anlehnung an reale Netzplanungsprozesse wird beschrieben, wie Benchmark-Netzmodelle synthetisch und basierend auf öffentlich zugänglichen Daten generiert werden können. Abschließend wird anhand der Erkenntnisse dargelegt, wie die Modellierung der Niederspannungsnetzmodelle im sogenannten SimBench-Datensatz erfolgt ist. Hierzu wird der Datensatz analysiert und bewertet sowie Potenziale und Grenzen der Daten diskutiert.
Modulare Smart-Grid-Automatisierungsarchitektur mit integriertem Konfigurationsprozess auf Basis der IEC 61850-6
(2023) Bauernschmitt, Björn; Rehtanz, Christian; Zdrallek, Markus
Getrieben durch die Energiewende, befindet sich die elektrische Energieversorgung in einem steten Transformationsprozess. Insbesondere die Verteilnetze sehen sich mit der Integration einer großen Zahl neuer Netzteilnehmer konfrontiert. Um diese Herausforderungen zu meistern, müssen sich die Verteilnetze von bisherigen passiven Netzen hin zu intelligenten Smart Grids wandeln. Hierzu werden die Verteilnetze mit Systemen und Funktionen zur Messung, Überwachung, Steuerung, Automatisierung und zum Schutz ausgestattet. Durch die Anzahl und räumliche Ausdehnung der Verteilnetze und die daraus resultierende Vielzahl an zu integrierenden Komponenten werden hierzu allerdings – verglichen mit den aus Netzen der Hoch- und Höchstspannung bekannten Systemen – gänzlich neue Lösungen benötigt. In dieser Arbeit wird eine Smart-Grid-Automatisierungsarchitektur vorgestellt, die es ermöglicht, verschiedenste schutz- und leittechnische sowie neuartige Smart-Grid-Funktionen modular und flexibel auf einer einheitlichen Plattform abzubilden. Berücksichtigt wird vor allem auch eine klare Trennung von Software und Hardware. Eine Besonderheit stellt der integrierte Konfigurationsprozess auf Basis des Standards IEC 61850-6 dar. Dieser stellt sicher, dass auch eine große Anzahl an Systemen schnell und effizient projektiert und konfiguriert werden kann – ein deutlicher Vorteil gegenüber existierender Lösungen. Es wird ein Softwareframework geschaffen, das es ermöglicht, Funktionen und Algorithmen auf einheitliche Art und Weise zu implementieren und parallel und wechselwirkungsfrei auf der Systemplattform auszuführen. Anschließend wird der zuvor genannte Konfigurationsprozess entworfen und in das Softwareframework integriert. Exemplarische Schutz- und Smart-Grid-Funktionen sowie Kommunikations-protokolle werden umgesetzt. Im Rahmen sowohl von Laborprüfungen als auch innerhalb eines Feldtests erfolgt eine Verifikation der implementierten Funktionen selbst als auch des Konfigurationsprozesses.
Grid integration of variable renewable energies in Ghana: assessment of the impact on system stability
(2023) Asmah, Marilyn Winifred; Myrzik, Johanna; Rehtanz, Christian
This research analyses the impact of renewable energies (RE) generation in Ghana’s national interconnected transmission system (NITS) and how its stability is affected. Integrating RE, particularly solar and wind in Ghana’s power system has been discussed at the national level with the intention to diversify the energy mix and reduce the dependency on thermal energy. RE integration introduces operational and infrastructural challenges in Ghana’s network, to which novel measures are required. Using the DIgSILENT PowerFactory simulation tool and MATLAB, simulation scenarios are created to capture diverse network conditions including different RE penetration levels, load demand and infrastructural expansion for three separate years. The ‘optimum’ penetration level of RE in the NITS considering voltage and loading limits is also identified using optimization techniques. The simulation results show that the target scenario is the most prone to both static and dynamic voltage instability. The transient stability analysis however reveals the post-target scenario to be unstable. Furthermore, methods of optimization are used to determine the reactive power deficient nodes in the NITS, which serve as the basis for the stability enhancement measures. The simulations and analysis additionally indicate that implementing the proposed measures indeed enhances the stability of the NITS. Finally, this research shows that RE integration is ‘technically’ feasible in Ghana if the required network reinforcements and operational changes are accordingly considered.
Wechselwirkungen einer multifunktionalen Flexibilitätsbewirtschaftung mit der Betriebsplanung proaktiver Verteilnetze
(2023) Erlemeyer, Fabian; Rehtanz, Christian; Zdrallek, Markus
Der Einsatz von Flexibilität dient im elektrischen Energieversorgungssystem zum Ausgleich zwischen der Stromerzeugung und dem –verbrauch. Dies geschieht sowohl für den planbaren Anteil als auch für den kurzfristigen Bedarf im Rahmen der Leistungsfrequenz-Regelung. Im Rahmen des Engpassmanagements wird zusätzlich Flexibilität für die Vermeidung von Grenzwertverletzungen im elektrischen Übertragungs- und Verteilnetz verwendet. Da sich im Zuge der Energiewende weitreichende Veränderungen sowohl in der Erzeuger- als auch in der Verbraucherstruktur ergeben, wird die zuvor beschrieben Flexibilität zukünftig von anderen, größtenteils im Verteilnetz angeschlossenen, technischen Anlagen erbracht. Durch die Verlagerung in das Verteilnetz nimmt die Komplexität und Heterogenität des Flexibilitätseinsatzes zu. In dieser Arbeit wird vor diesem Hintergrund ein Simulationsmodell zur Untersuchung des Flexibilitätseinsatzes in Wechselwirkung mit der Betriebsplanung elektrischer Verteilnetze erstellt. Die Funktionsfähigkeit wird zunächst anhand einer Simulation überprüft. Um die getroffenen Annahmen bezüglich der Verfügbarkeit und des Verhaltens der technischen Anlage überprüfen zu können, wird das erstellte Modell mit realen Anlagen kombiniert und betrieben. Aus dem Betrieb werden schließlich Annahmen zur Ausgestaltung zukünftiger Prozesse abgeleitet.
Manifold turnpikes, trims, and symmetries
(2022-05-03) Faulwasser, Timm; Flaßkamp, Kathrin; Ober-Blöbaum, Sina; Schaller, Manuel; Worthmann, Karl
Classical turnpikes correspond to optimal steady states which are attractors of infinite-horizon optimal control problems. In this paper, motivated by mechanical systems with symmetries, we generalize this concept to manifold turnpikes. Specifically, the necessary optimality conditions projected onto a symmetry-induced manifold coincide with those of a reduced-order problem defined on the manifold under certain conditions. We also propose sufficient conditions for the existence of manifold turnpikes based on a tailored notion of dissipativity with respect to manifolds. Furthermore, we show how the classical Legendre transformation between Euler–Lagrange and Hamilton formalisms can be extended to the adjoint variables. Finally, we draw upon the Kepler problem to illustrate our findings.
Operation strategies of battery energy storage systems for preventive and curative congestion management in transmission grids
(2022-12-29) Lindner, Martin; Peper, Jan; Offermann, Nils; Biele, Charlotte; Teodosic, Milijana; Pohl, Oliver; Menne, Julian; Häger, Ulf
Anticipating and relieving congestions is an ongoing challenge for transmission system operators. Distributed grid-scale battery energy storage systems enable operators to shift power flows and remedy congestion through virtual power lines and grid boosters. This paper includes battery energy storage systems in a combined preventive and curative congestion management optimization. First, it analyzes the impact of the two operational strategies in a case study of the German transmission grid. Furthermore, it outlines curative ad-hoc measures to overcome uncertainties during operational planning and real-time operation. The simulation results indicate that battery energy storage systems further increase the use of curative measures and reduce congestion management costs.
Virtual inertia for suppressing voltage oscillations and stability mechanisms in DC microgrids
(2022) Lin, Gang; Rehtanz, Christian; Liserre, Marco
Renewable energy sources (RES) are gradually penetrating power systems through power electronic converters (PECs), which greatly change the structure and operation characteristics of traditional power systems. The maturation of PECs has also laid a technical foundation for the development of DC microgrids (DC-MGs). The advantages of DC-MGs over AC systems make them an important access target for RES. Due to the multi-timescale characteristics and fast response of power electronics, the dynamic coupling of PEC control systems and the transient interaction between the PEC and the passive network are inevitable, which threatens the stable operation of DC-MGs. Therefore, this dissertation focuses on the study of stabilization control methods, the low-frequency oscillation (LFO) mechanism analysis of DC-MGs and the state-of-charge (SoC) imbalance problem of multi-parallel energy storage systems (ESS). Firstly, a virtual inertia and damping control (VIDC) strategy is proposed to enable bidirectional DC converters (BiCs) to damp voltage oscillations by using the energy stored in ESS to emulate inertia without modifications to system hardware. Both the inertia part and the damping part are modeled in the VIDC controller by analogy with DC machines. Simulation results verify that the proposed VIDC can improve the dynamic characteristics and stability in islanded DC-MG. Then, inertia droop control (IDC) strategies are proposed for BiC of ESS based on the comparison between conventional droop control and VIDC. A feedback analytical method is presented to comprehend stability mechanisms from multi-viewpoints and observe the interaction between variables intuitively. A hardware in the loop (HIL) experiment verifies that IDC can simplify the control structure of VIDC in the promise of ensuring similar control performances. Subsequently, a multi-timescale impedance model is established to clarify the control principle of VIDC and the LFO mechanisms of VIDC-controlled DC-MG. Control loops of different timescales are visualized as independent loop virtual impedances (LVIs) to form an impedance circuit. The instability factors are revealed and a dynamic stability enhancement method is proposed to compensate for the negative damping caused by VIDC and CPL. Experimental results have validated the LFO mechanism analysis and stability enhancement method. Finally, an inertia-emulation-based cooperative control strategy for multi-parallel ESS is proposed to address the SoC imbalance and voltage deviation problem in steady-state operation and the voltage stability problem. The contradiction between SoC balancing speed and maintaining system stability is solved by a redefined SoC-based droop resistance function. HIL experiments prove that the proposed control performs better dynamics and static characteristics without modifying the hardware and can balance the SoC in both charge and discharge modes.
An inertia-emulation-based cooperative control strategy and parameters design for multi-parallel energy storage system in islanded DC microgrids
(2022-09-07) Lin, Gang; Liu, Jiayan; Zhou, Yang; Li, Yong; Rehtanz, Christian; Wang, Shaoyang; Wang, Pengcheng; Zuo, Wei
This paper proposes an inertia-emulation-based cooperative control strategy for the multi-parallel energy storage system (ESS) to meet the requirements of state-of-charge (SoC) balance, inertia enhancement and zero-steady-state voltage deviation. The inertia emulation loop (IEL) is constructed by analogy with DC motors to dampen voltage oscillation, while the secondary voltage recovery loop is derived from the circuit equivalence of an inductor to indicate the system stiffness. Moreover, to equalize SoCs of energy storage units (ESUs) dynamically, a SoC self-balance algorithm is developed. The redefined SoC mismatch degree and balance speed adjustment factor k are introduced into the droop resistance, adjusting the SoC self-balance rate and eliminating the SoC deviation among ESUs. The dynamic performance of the SoC self-balance algorithm is analyzed and the small signal model of the DC microgrid (DC-MG) with proposed strategy is established. Based on eigenvalue analysis and step response, the system stability is assessed, and the influence of control parameters on transient characteristics and stability margin is investigated. Considering power constraint, voltage deviation constraint and dynamic stability constraint, the optimal design method of k is given. Finally, simulation and experiment verify that the proposed control, without modifying hardware, performs better dynamic and static characteristics and can equalize SoC among ESUs in charge and discharge mode.
Stufenlose Strangspannungsregelung in der Niederspannung
(2022) Holt, Mara; Rehtanz, Christian; Jenau, Frank
Durch den zunehmenden Ausbau erneuerbarer Energien und die Elektrifizierung des Verkehrs- und Wärmesektors kommt es in ländlichen Niederspannungsnetzen vermehrt zu Problemen bei der Einhaltung des Spannungsbandes. Für den dadurch erforderlichen Netzausbau bietet gerade bei langen Netzausläufern in der Niederspannung der Einsatz von Strangspannungsreglern eine kosteneffiziente Alternative zu konventionellen Maßnahmen. Die aktuell bekannten Umsetzungen bewirken jedoch eine Einprägung von Netzrückwirkungen oder einen erhöhten Aufwand für den Netzbetreiber hinsichtlich der Instandhaltung. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Konzept entwickelt und erforscht, das eine netzrückwirkungsarme und robuste Strangspannungsregelung ermöglicht. Das Konzept beruht auf einem stufenlosen Strangspannungsregler, der auf Basis von variablen Induktivitäten arbeitet. Neben der allgemeinen Wirkungsweise und Aufbaumöglichkeiten eines solchen Strangspannungsreglers werden Ansteuerungs- und Regelungsverfahren untersucht, welche das statische und dynamische Verhalten der stufenlosen Spannungsregelung netzverträglich gestalten. Dabei wird die Netzverträglichkeit des entwickelten Konzeptes über eine Analyse der Netzauswirkungen sowie eine Erprobung im Labor und im Feld bewertet.
Experimental verification of smart grid control functions on international grids using a real-time simulator
(2022-05-06) Palaniappan, Rajkumar; Molodchyk, Oleksii; Shariati-Sarcheshmeh, Mahdi; Asmah, Marilyn Winifred; Liu, Jiayan; Schlichtherle, Tobias; Richter, Frank; Kwofie, Ekow Appiah; Festner, Daniel Rios; Blanco, Gerardo; Mutule, Anna; Borscevskis, Olegs; Rafaat, Shady S.; Li, Yong; Häger, Ulf; Rehtanz, Christian
The drastic increase in distributed energy resources (DERs) leads to challenges in the operation of distribution systems worldwide. While several solutions for grid monitoring and control are available on the market and in literature, this research is the first of its kind aiming to supervise the grid by providing a modular configurable unified hardware and software architecture. The control algorithms are configured using data models according to IEC 61850-7-3 and IEC 61850-7-4. The novel system architecture is a portable, modular and flexible architecture that aggregates smart grid control functions onto a standardised hardware platform, emphasising the need for hardware independence. The central controller contains several smart grid control functions and the various field devices are distributed across the distribution grid. This paper deals with the simulation of different real-world distribution grids on the Real-Time Simulator (RTS) and experimental verification of the control algorithms. Smart grid control functions such as Coordinated Voltage Control (CVC) and Optimal Power Flow (OPF) are experimentally verified on a German grid. The grid dynamics are compared when the central controller executes the CVC against the OPF implementations. The experimental results, advantages and challenges of each control are presented here. The results also showed the variation in grid behaviour when the control parameters were varied. The paper also shows that the algorithm and the choice of the control parameters depend upon the distribution grid's complexity and the system operator's individual needs. The results illustrate the potential of such a universal distribution automation solution for system operators worldwide.
Konstruktion eines geo-semantischen 3D-Datenmodells zur Ermittlung der Einflussgrößen auf die PV-Dachpotentiale in NRW unter Verwendung von open-source Daten
(2022) Yaldiz, Caner; Rehtanz, Christian; Doetsch, Christian
Thematischer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung von Solardachkatastern und Prognosen/Szenarien im Kontext der zukünftigen Energieversorgung der Bundesre- publik Deutschland. Im Allgemeinen fokussiert die Untersuchung die technische Umsetz- barkeit der Energiewende. Detailliert analysiert werden die realistischen Potentiale für die Dachflächen-Photovoltaik in NRW unter Verwendung öffentlich-zugänglicher Da- ten. Das Ziel ist die Entwicklung eines Algorithmus, welcher mit 3D-Gebäuderekonstruktionen regionale Hinderungsgründe für die Anbringung von Photovoltaik-Anlagen auf Dachflä- chen analysiert und konkrete Potentiale auswertet. Die Installation solcher Anlagen ist durch eine Vielzahl diverser, oftmals regionaler Hinderungsgründe geprägt. In diesem Kontext liegt der Fokus der Analyse im Besonderen auf Verschattungseffekten auf Dach- flächen. Umliegende Objekte wie Gebäude und Bäume, oder auch Objekte auf einer Dachfläche wie beispielsweise Schornsteine, Dachgauben und Satellitenanlagen, können die nutzbare Einstrahlfläche durch Verschattung signifikant verringern. Dahingehend sind bereits geringe Schattenwürfe für eine Verringerung ausreichend. Zudem reduzieren inte- grierte Dachfenster die effektive Nutzfläche. Diese Analyseebene sowie die daraus resultie- renden Vergleichsergebnisse innerhalb der Bezirke in NRW können die Energiewende auf regionale Umsetzbarkeit hin in diversen Städten und Gemeinden überprüfen und kritisch hinterfragen.
Research on economic planning and operation of electric vehicle charging stations
(2022) Liu, Jiayan; Rehtanz, Christian; Zdrallek, Markus
Appropriately planning and scheduling strategies can improve the enthusiasm of Electric vehicles (EVs), reduce charging losses, and support the power grid system. Thus, this dissertation studies the planning and operating of the EV charging station. First, an EV charging station planning strategy considering the overall social cost is proposed. Then, to reduce the charging cost and guarantee the charging demand, an optimal charging scheduling method is proposed. Additionally, by considering the uncertainty of charging demand, a data-driven intelligent EV charging scheduling algorithm is proposed. Finally, a collaborative optimal routing and scheduling method is proposed.
Infinite-horizon optimal control - asymptotics and dissipativity
(2021-12-14) Faulwasser, Timm; Kellett, Christopher M.
This note discusses the interplay between dissipativity and the asymptotics of continuous-time infinite-horizon optimal control problems. We focus on the results on convergence of optimal primal solutions derived in [6]. Moreover, we present a result on the attractivity of the infinite-horizon optimal adjoint trajectories, which is closely related to transversality conditions for infinite-horizon optimal control problems. Proofs and further results can be found in [6].

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