Mobiler DRT-VLF Prüfgenerator

Projektschwerpunkte

• Modellierung, Modellverifikation und Systemanalyse
• Beobachter- bzw. Schätzerentwurf zur Online- und Offline-Bestimmung der Kabelkapazität
• Entwurf eines echtzeitfähigen Regelungskonzepts
• Optimierung der Systemparameter
• Umsetzung der Regelungs- und Schätzkonzepte am Prototyp

Beschreibung

In den letzten Jahren ist ein forcierter Ausbau der Energieerzeugung mittels regenerativer Systeme, wie z.B. Windkraftanlagen (On- und Off-Shore), Photovoltaik sowie Biomasse, zu verzeichnen. Die Anbindung dieser dezentralen Anlagen an das bestehende Stromverteilungsnetz erfolgt in der Regel mit Hilfe von Hoch- und Höchstspannungskabeln (HV, UHV) mit Spannungen bis zu 500 kV, welche in der Erde oder im Meer verlegt werden. Zum Testen der geforderten Funktionalität sowie zur Erkennung von Defekten bereits verlegter Kabel werden geeignete Prüfmethoden und -geräte benötigt.

Da die verbauten Hoch- bzw. Höchstspannungskabel sehr große Kabelkapazitäten besitzen, würde ein Test mit Netzfrequenz zu sehr hohen Blindleistungen führen, was sich direkt in der Baugröße und dem Gewicht niederschlägt. Für eine Reduktion der Blindleistung und damit der Größe des Prüfgenerators erfolgt daher vermehrt die Prüfung mit Testspannungen sehr niedriger Frequenz (VLF, ca. 0,01 Hz – 10 Hz).

Prototyp des VLF Prüfgenerators der Firma mohaupt high voltage

Im Zuge dieses Projekts wurde der in Abb. 1 dargestellte Prototyp eines von der Firma mohaupt high voltage entwickelten VLF Prüfgenerators betrachtet. Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Hochspannungsprüfgenerators. Dieser besteht aus einem Leistungsmodul mit anschließendem Resonanzkreis, welche zur Erzeugung einer amplitudenmodulierten Hochspannung verwendet werden. Mit Hilfe der Demodulatoreinheit wird schließlich die gewünschte niederfrequente Prüfspannung im Frequenzbereich von 0,01 bis 10 Hz am Hochspannungskabel erzeugt.

Funktionsprinzip des DRT VLF Prüfgenerators

Für dieses System wurde im Rahmen des Projektes ein detailliertes mathematisches Modell unter Berücksichtigung der nichtlinearen Eigenschaften insbesondere des Demodulators erstellt. Basierend auf einer Analyse des Modells wurde ein reduziertes Hüllkurvenmodell ermittelt, welches die Basis für den weiteren Regler- und Beobachterentwurf darstellt. Die entworfene Regelungsstrategie basiert auf einer Minimierung der Verlustleistung des Systems in Kombination mit einer Optimierung der Güte der Ausgangsspannung (Minimierung des THD-Wertes). Zur Schätzung der unbekannten Last (das Kabel) wurde die Regelungsstrategie um eine Schätzstrategie für die Kabelkapazität erweitert. Schließlich wurde gezeigt, dass eine optimierte Wahl der Konstruktionsparameter des Systems im Sinne eines mechatronischen Systementwurfs zu einem optimierten Gesamtsystem führt. Anhand von Messungen am Prototyp konnte ein hohe Regelgüte und Robustheit der entworfenen Regelungs- und Schätzstrategie nachgewiesen werden.

Prüfaufbau zum Test der Regelungs- und Schätzstrategien

Ausgewählte Veröffentlichungen

• S. Eberharter, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Analysis and System Optimization of a Very Low Frequency High-Voltage Test System, in Proceedings of the 7th IFAC Symposium on Mechatronic Systems & 15th Mechatronics Forum International Conference, Loughborough, UK, 2016, p. 294–300.
  [BibTex]

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  author = {Eberharter, S. and Kemmetm\"uller, W. and Kugi, A.},
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  booktitle = {Proceedings of the 7th IFAC Symposium on Mechatronic Systems \& 15th Mechatronics Forum International Conference},
  year = {2016},
  volume = {49},
  number = {21},
  month = {9},
  pages = {294--300},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2016.10.570},
  address = {Loughborough, UK},
  issn = {2405-8963},
  }

• W. Kemmetmüller, S. Eberharter, and A. Kugi, Controller design and experimental validation of a very low frequency high-voltage test system, Control Engineering Practice, vol. 37, p. 32–42, 2015.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Kemmetmueller15,
  Title = {Controller design and experimental validation of a very low frequency high-voltage test system},
  Author = {Kemmetm\"uller, W. and Eberharter, S. and Kugi, A.},
  Journal = {Control Engineering Practice},
  Pages = {32--42},
  Volume = {37},
  Year = {2015},
  Doi = {10.1016/j.conengprac.2014.12.011},
  }

• S. Eberharter, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Mathematical Modeling and Analysis of a Very Low Frequency HV Test System, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, iss. 11, p. 5784–5794, 2014.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Eberharter14,
  Title = {Mathematical Modeling and Analysis of a Very Low Frequency {HV} Test System},
  Author = {Eberharter, S. and Kemmetm\"uller, W. and Kugi, A.},
  Journal = {IEEE Transactions on Power Electronics},
  Pages = {5784--5794},
  Volume = {29},
  Year = {2014},
  Number = {11},
  Doi = {10.1109/TPEL.2014.2299293},
  }

• W. Kemmetmüller, S. Eberharter, and A. Kugi, Quasi Optimal Feedforward Control of a Very Low Frequency High Voltage Test System, in Proceedings of the 19th IFAC World Congress, Cape Town, South Africa, 2014, p. 11623–11628.
  [BibTex]

  @InProceedings{Kemmetmueller14a,
  author = {Kemmetm\"uller, W. and Eberharter, S. and Kugi, A.},
  title = {Quasi Optimal Feedforward Control of a Very Low Frequency High Voltage Test System},
  booktitle = {Proceedings of the 19th IFAC World Congress},
  year = {2014},
  month = {8},
  pages = {11623--11628},
  doi = {10.3182/20140824-6-ZA-1003.00356},
  address = {Cape Town, South Africa},
  }

• W. Kemmetmüller and A. Kugi, Mathematische Modellierung und Analyse eines DRT-VLF-Hochspannungsprüfgenerators, e & i Elektrotechnik und Informationstechnik, vol. 129, iss. 1, p. 18–27, 2012.
  [BibTex] [Download]

  @Article{Kemmetmuller12,
  Title = {{Mathematische Modellierung und Analyse eines DRT-VLF-Hochspannungspr\"ufgenerators}},
  Author = {W. Kemmetm\"uller and A. Kugi},
  Journal = {e {\&} i Elektrotechnik und Informationstechnik},
  Pages = {18--27},
  Volume = {129},
  Year = {2012},
  Number = {1},
  Doi = {10.1007/s00502-012-0073-5},
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Projektpartner und Förderung

• mohaupt high voltage
• Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG