Hardware- „In-the-Loop“-Plattform im Forschungslabor für saubere Energie

Das Unternehmen

Die Nanyang Technological University (NTU) in Singapur ist eine weltbekannte, eigenständige Forschungsuniversität, die im QS World University Ranking 2018 weltweit den 11. Platz und in Asien den 1. Platz belegte. Das Clean Energy Research Laboratory (CERL) ist an der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik (EEE) der NTU angesiedelt und konzentriert sich auf die Forschung und Entwicklung von Energiemanagementtechniken, Energiespeicherstrategien und Steuerungen für Leistungswandler für Smart Grids und Mikronetze.

Die Herausforderungen

• Hoher Kosten- und Zeitaufwand für physische Aufbauten: Der Aufbau vollständiger physischer „ hardware “-Konfigurationen für große Multi-microgrid -Systeme – bestehend aus „ Erneuerbare Energien “-Quellen, Speichergeräten und Stromwandlern – ist bei zeitkritischen Projekten äußerst mühsam, zeitaufwendig und kostspielig.
• Simulationsgenauigkeit im Sub-Mikrosekundenbereich: Für das Echtzeit-HIL- Tests von Elektromotorsteuerungen und der schnellen Umrichterdynamik ist eine Simulationsabtastrate von weniger als einer Mikrosekunde erforderlich, um eine geringe Kommunikationslatenz zu erreichen, die die Realität realitätsnah nachbildet.
• Parallele Durchführung mehrerer Projekte: Das CERL betreut jährlich zahlreiche Postgraduiertenprojekte (PhD, MEng, MSc), Abschlussarbeiten (FYP) sowie Design- und Innovationsprojekte (DIP), was eine hochgradig anpassbare Infrastruktur erfordert, die in der Lage ist, mehrere Forschungsteams gleichzeitig zu unterstützen.
• Validierung komplexer transaktiver Energiekonzepte: Tests Neuartige Regelungsstrategien, wie beispielsweise das von der EMA finanzierte, auf 3,5 Jahre angelegte Projekt „Novel Hierarchical Transactive Energy Management System (HTEMS)“, erfordern eine nahtlose Integration zwischen simulierten Netzwerken und physischen hardware -Reglern.

Die OPAL-RT-Lösung

Mit finanzieller Unterstützung der Energy Market Authority (EMA) und der National Research Foundation (NRF CREATE) aus Singapur hat das CERL eine vielseitige HIL- und PHIL- Tests -Infrastruktur aufgebaut:

• Echtzeit-Simulatoren OP5600 und OP5607: Einsatz leistungsstarker digitaler OPAL-RT-Simulatoren zur Ausführung dynamischer Echtzeitmodelle komplexer AC/DC-Mikronetze und Verteilungsnetze.
• Integrierte HIL-Plattform: Kombination von digitalen OPAL-RT-Simulationen mit physikalisch- hardware en Geräten, wodurch die Einrichtungszeit drastisch verkürzt und eine sichere, schnelle Reglerprototypenentwicklung ermöglicht wird.
• 45-kVA-Power-HIL (PHIL)-Erweiterung: Integration eines dreiphasigen 45-kVA-Leistungsverstärkers zur direkten Anbindung von digitalen Echtzeitsimulationen an physikalische Geräte, darunter Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren, programmierbare Stromquellen und Lasten.
• Rekonfigurierbare Mehrbenutzerarchitektur: Entwurf einer „ Flexibel “-Umgebung, in der mehrere Forschungsprojekte von Studierenden und Doktoranden gleichzeitig auf OPAL-RT-Simulatoren durchgeführt werden können.

Die Ergebnisse

• Durchführung des HTEMS-Projekts: Erfolgreiche Durchführung von HIL-Versuchen an hybriden AC/DC-Mikronetzen, hybriden Energiespeichersystemen und dynamischen Spannungsreglern, wodurch die wichtigsten Ziele des von der EMA finanzierten HTEMS-Projekts erreicht wurden.
• Wissenschaftliche Leistungen auf höchstem Niveau: Verfasste zahlreiche Forschungsarbeiten, die in führenden internationalen Fachzeitschriften und auf Konferenzen veröffentlicht wurden.
• Preisgekrönte studentische Forschungsarbeiten: Studierende des Bachelor-Studiengangs im Rahmen ihres Abschlussprojekts (FYP) sowie DIP-Studierende konnten ihre Beiträge auf der IEEE International Conference on Innovative Smart Grid Technologies (ISGT ASIA) 2018 veröffentlichen. Darüber hinaus belegten DIP-Studierende den 2. Platz im Wettbewerb unter zehn EEE-Fokusgruppen zum Thema Smart Grid.
• Erweiterte Testmöglichkeiten durch PHIL: Die Lücke zwischen Simulationsmodellen und physikalischen microgrid hardwarewurde geschlossen , sodass Forscher:innen fortschrittliche Leistungsmerkmale unter realistischen Last- und Lagerbedingungen bewerten kann.

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