Technologie

13. 01. 18
posted by: Super User
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Technologie

Im Laufe der letzten Jahre haben wir einige Technologien entwickelt, die in unseren Dienstleistungen verwendet und auch direkt bei Ihnen verwendet werden können. Von der Modellierung, über die Regelung einer Anlage bis zum kompletten Analysator und der kompletten Entwicklungsumgebung VIAvento werden unsere Technologien bereits heute bei vielen unserer Projektpartner erfolgreich eingesetzt.

Seit unserer Gründung im Jahr 2010 beschäftigen wir mit leistungselektronischen Anlagen und vielen notwendigen Prozessschritten von der Auslegung bis zum Betrieb. In dieser Zeit haben wir unsere eigene leistungsfähige Entwicklungsumgebung VIAvento zur Unterstützung aller Arbeitsschritte entwickelt. Mit der Regelungsentwicklung inkl. automatisierter Code-Generierung, der Simulation und zahlreicher weiterer Schritte bildet VIAvento heute das Rückgrat der meisten unserer Projekte.

Eine Anwendung von VIAvento ist die Auskopplung kompilierter Anlagenmodelle, die die Untersuchung leistungselektronischer Anlagen in der gleichen Qualität in diversen Programmen ermöglicht. Aufbauend auf der gleichen Technologie wie im VIAvento-Kern ermöglichen die Rechenzeit-optimierten Plugin-Anlagenmodelle eine qualitativ hochwertige und trotzdem schnelle Untersuchung – unabhängig von Ihrer Wahl des Untersuchungsprogramms.

Ebenfalls seit den Gründungstagen im Einsatz und stetig weiterentwickelt ist unsere Regelungstechnologie. Durch die Verwendung unterschiedlicher Ansätze in einer einzigen Technologie wird in vielen unterschiedlichen Topologien und Anwendungen eine maximale Robustheit, eine optimale Ausnutzung der physikalischen Auslegung und gleichzeitig eine hohe Dynamik erreicht.

Neben den Möglichkeiten der Untersuchung leistungselektronischer Systeme in Software-Anwendungen bietet der Avasition-Analysator die Möglichkeit selbst komplexe Systeme mit vielen geregelten Anschlussnehmern in einer kosteneffizienten Berechnungs-Hardware zu untersuchen. In Kombination mit der komfortablen Benutzeroberfläche (VIAvento) bietet sich Ihnen damit die Möglichkeit, Untersuchungen bis hin zur Echtzeit auch unter Berücksichtigung Ihrer eigenen Regelungshardware auszuführen.

Im Folgenden sind noch weitere Details zu unseren einzelnen Dienstleistungen gegeben:

  • Plugin-Anlagenmodelle
  • Anlagenregelungen
  • Avasition-Analysator
  • Enwticklungsumgebung VIAvento

 

Plugin-Anlagenmodelle

Das dynamische und stationäre Verhalten moderner leistungselektronischer Anlagen wird häufig in diversen Programmen zur Simulation bzw. Netzberechnung untersucht (z.B. PowerFactory, Simscape Power Systems mit MATLAB/Simulink, PSS NETOMAC, PSCAD, PLECS). Zur detaillierten und realitätsgetreuen Modellierung der Anlagen inklusive aller relevanten physikalischen Effekte haben wir allgemeine Anlagenmodelle entwickelt, die als plugin in diverse Programme eingebunden werden können. Damit ist eine Modellierung mit gleichbleibend hoher Qualität und schneller Ausführgeschwindigkeit in allen Programmen garantiert. Die Plugin-Anlagenmodelle umfassen die folgenden Aspekte:

  • Modellierung in Form von Zustandsraummodellen
    • Nachbildung elektrischer, mechanischer und thermischer Systeme
    • Eingangsgrößen nach physikalischen Bedingungen wählbar (keine Anpassung des Modells an begrenzte Modellierungsmöglichkeiten)
    • Hohe Genauigkeit da Ordnung des Modells und des physikalischen Systems identisch
  • Automatisierte Erzeugung des mathematischen Modells aus Ersatzschaltbild
    • Gegebenes Ersatzschaltbild wird in neutralen Graphen zerlegt
    • Aus Graphen werden Differentialgleichungen automatisiert erzeugt
    • Damit gleichbleibende hohe Qualität gewährleistet
  • Einbau des Modells in kompilierten Bibliotheken (DLL)
    • Aufrufbar in vielen Programmen (vgl. oben aufgelistete Programme)
    • Inhalt und Aufrufhäufigkeit (Abtastzeit) frei wählbar
  • Mit dieser flexiblen Struktur unterschiedliche Modelle möglich
    • Von einzelnen Stromrichtern bis zu kompletten Anlagen oder Systemen bestehend aus mehreren Anlagen
  • Vorteile der Plugin-Anlagenmodelle
    • Gleichbleibend hohe Qualität in allen Programmen
    • Schnelle Ausführzeit durch optimierte Implementierung
    • Alle relevanten physikalischen Effekte in jedem Modell sofort enthalten

 

Anlagenregelungen

Das dynamische Verhalten geregelter Anlagen aller Art wird – neben der Topologie und Parametrierung – vor allem durch die Regelungssoftware bestimmt. Aus den Vorteilen vieler bekannter Regelungsansätze sowie einigen selbst entwickelten Regelungslösungen resultiert unsere Regelungs-Technologie, die sich gleichzeitig durch eine hohe Robustheit und intelligentes dynamisches Verhalten auszeichnet.

Wir verfügen über eine Technologie der Regelungsentwicklung, die für Anlagen unterschiedlichster Art angewendet werden kann (Zwei- und Dreipunkt-Wechselrichter, Multilevel-Stromrichter und Thyristor-basierte Stromrichter in diversen Anwendungen wie Wind-, Solar-, Energieverteilung, Bahntechnik und weitere). Folgend sind einige zentrale Aspekte unserer Technologie dargestellt.

  • Avasition-Regelungen haben grundsätzlich die folgenden Eigenschaften
    • Alle Stromrichter-Regelungen
      • Maximale Robustheit und minimaler Inbetriebsetzungsaufwand
      • Optimale Ausnutzung der physikalischen Auslegung
      • Maxime – dezentraler Ansatz: Betrieb stets ohne Kommunikation mit anderen Komponenten gegeben, Kommunikation ist nur Mittel zur Optimierung
    • Netzumrichter-Regelung
      • Minimale ungewollte Netzrückwirkungen
      • Netzbildend, auch geeignet für schwache Netze und Inselnetzsituationen
      • Hochdynamischer Eigenschutz (nach Möglichkeit ohne Stromrichter-Blockieren bzw. Einsatz einer Pulssperre)
    • Maschinenumrichter-Regelung
      • Hochdynamisch realisierbar
      • Verhalten für mechanische Komponenten optimierbar
      • Hohe Dynamik auch mit geringen Schaltfrequenzen, z.B. im Feldschwächbereich
  • Unterschiedliche mathematische Ansätze implementiert
    • Augenblicksorientierte Regelung im Zeitbereich (Stichwort: EMT-Regelung)
    • Periodenorientierte Regelung im Frequenzbereich (Stichwort: RMS-Regelung für Stabilitätsuntersuchungen)
    • Optimales Regelungsverhalten durch Kombination der Vorteile der unterschiedlichen Ansätze
  • Weitere wichtige Strategien:
    • Starke modellbasierte Vorsteuerung für eine optimale Ausnutzung der gewählten Auslegung
    • Optimales Verhalten für die Anlage und das umgebende Netz
    • Minimale Verwendung von Speichern, um stabiles Umrichterverhalten auch in schwachen Netzen und Inselnetzsituationen zu ermöglichen

 

Avasition-Analysator

Die oben dargestellten Technologien werden auf einer kosteneffizienten, Echtzeit-fähigen Berechnungs-Hardware zu einem Echtzeit-Analysator kombiniert. Der einfach erweiterbare Echtzeit-Analysator wurde speziell für komplette Netzsysteme, wie z.B. Offshore-Windparks entwickelt und kann Systeme mit mehreren hundert unabhängig geregelten Anlagen in Echtzeit nachbilden. Damit lässt sich neben dem dynamischen Verhalten einer einzelnen Anlage auch das Zusammenspiel einer geregelten Anlage mit dem restlichen Netzverbund in Echtzeit nachbilden. Sollte Ihre Regelung schnell genug ausgeführt werden können, ermöglich das System auch eine Ausführung in zehnfach schnellerer Zeit. Natürlich ist auch eine Ausführung in ‚Zeitlupe‘ möglich.

Der Analysator ermöglicht die hochgenaue Untersuchung komplexer Netzsysteme. Auf dieser Basis können eine Vielzahl von Szenarien in einer sehr kurzen Zeit untersucht werden, was in allen relevanten Phasen wie z.B. der Netzplanung, des Netzausbaus, des Netzbetriebs (Netzbetreiber-Perspektive) sowie der Entwicklung enormes Potential bietet. Z.B. können viele Risiken können auf diese Weise vorab identifiziert und gelöst werden und viele betriebliche Fehlersituationen nachgestellt und mögliche Lösungen in kurzer Zeit vor dem Einsatz auf der realen Anlage erprobt werden. Der Avasition Echtzeit-Analysator hat die folgenden Eigenschaften:

  • Untersuchung selbst großer Systeme in Echtzeit (z.B. komplette Verteil- und Übertragungsnetze, komplette Wind- und Solarparks, Bahnnetze, HVDC-basierte DC-Netze)
    • Untersuchung des Verhaltens der realen Regelung auf realer Hardware
    • Ohne Verwendung der realen Anlage
  • Kosteneffiziente Hardware
    • Ein Modul pro Teilmodell
    • Durch standardisierte Schnittstelle Gesamtmodell sofort erweiterbar
    • Gesamtes System einfach skalierbar (in Hardware und Kosten)
  • Gleiche Modelle wie in Offline-Simulatoren (plugin-Modelle) auch für Analysator verwendet
    • Sehr viele Modelle aus der Energietechnik und Leistungselektronik bereits vorhanden
    • Gleiche Modellqualität wie in offline-Simulation
    • Alle Modelle mit kleiner Schrittweite auf je einer eigenen Hardware-Einheit berechnet
  • Verbindung der Teilmodelle einfach steckbar
    • Simulationsszenario sehr schnell veränderbar (selbst live in der Simulation)
    • Teilmodelle auf einzelnen Steckkarten direkt kombinierbar
  • Komfortable Benutzeroberfläche vorhanden (VIAvento)
    • Eingabe vieler automatisiert auszuführender Simulationsszenarien
    • Bedienung und Parametrierung komfortabel möglich
  • Betrieb des Analysators bei uns und bei Ihnen möglich

 

Entwicklungsumgebung VIAvento

Die erfolgreiche und schnelle Entwicklung und Analyse von Stromrichter-Anlagen erfordert eine leistungsfähige Entwicklungsumgebung. Neben der komfortablen Entwicklung der Steuerungs- und Regelungssoftware, spielt die Untersuchung des dynamischen Verhaltens der Anlage inklusive der Regelungssoftware – allein und im Verbundbetrieb – eine immer wichtigere Rolle. Diese – und weitere – Herausforderungen müssen von der Entwicklungsumgebung beherrscht werden:

  • Komfortable Regelungsentwicklung
    • Möglichst automatisierte Code-Generierung auf Basis einer allgemeinen Beschreibung (z.B. Blockschaltbild)
    • Code-Generierung von C- und VHDL-Code
  • Untersuchung und Bewertung des dynamischen Anlagenverhaltens
    • Stabilitätsuntersuchungen verschiedener Arten (z.B. Frequenzstabilität, Einfluss einer Anlage auf den Verbund)
    • Dynamische Bewertung von Fehlerfällen
    • Hochgenaue Berechnung von Netzrückwirkungen
    • Analyse der Komponentenbelastung (z.B. Spannung, Strom, Temperatur, etc.)
  • Einstellung unterschiedlicher Simulationsdetails für unterschiedliche Untersuchungszwecke
    • Lastfluss und RMS-Berechnung inkl. Verhalten der Stromrichter
    • Augenblickssimulation im Ereignis-Modus mit allen Schalthandlungen oder im Intervall-Modus (averaging)
  • Analyse vieler Simulationsszenarien
    • Viele FRT-Fälle notwendig zur Analyse der Erfüllung der Anforderungen
    • Unterschiedliche Parametrierung zur Ermittlung des Optimums
  • Möglichst wenig Übergänge zwischen verschiedenen Programmen
    • Diverse Importfunktionalitäten von verschiedenen professionellen Control-Development-Plattformen und Netzberechnungsprogrammen
    • Diverse Exportfunktionalitäten in verschiedene professionelle Control-Development-Plattformen und Netzberechnungsprogrammen

Zur komfortablen Entwicklung und Analyse geregelter Anlagen haben wir das Programm VIAvento entwickelt. Neben den Code-Generatoren, die auf Basis eines Blockschaltbilds fehlerfreien Code (C oder VHDL) generieren, der folgend z.B. auf einem Echtzeit-System oder in Form einer DLL verwendet werden kann. Zur Qualitätssicherung kann die erzeugte Regelung direkt im Simulator von VIAvento eingesetzt werden. Durch die Modellierung auf Basis von Zustandsraummodellen, ist VIAvento sogar in der Lage komplette Netze mit mehreren hundert geregelten Anlagen (wie z.B. Windparks) hochgenau simuliert werden. Diese – und noch viele weitere – Aspekte sind in VIAvento in jeder Version enthalten.

  • Selbst konzipiertes Tool VIAvento, erstellt für die Entwicklung geregelter leistungselektronischer Anlagen
  • Regelungsentwicklung mit Code-Generatoren
    • Basis: Blockschaltbild der Regelung
  • Simulation mit direkt einstellbarer Modelltiefe
    • Ereignis-basiert mit allen einzelnen Schaltbefehlen
    • Intervall-basiert (averaging)
    • Dynamische RMS-Simulation
  • Viele fertige Modelle bereits enthalten
    • Stromrichter verschiedenster Art
    • Motore und Generatoren
    • Frequenzabhängige Leistungsmodelle (z.B. ULM-Modelle)
    • Transformator- und Induktivitätsmodelle mit Sättigung und Hysterese
  • Benutzerfreundliche Parametereingabe (‚Typenschildparameter‘)
  • Kompletter Prozess integriert
    • Implementierung der Regelung
    • Parametrierung der Anlage / des Netzes / der Regelung
    • Ausführung vieler Simulationsläufe (auch mehrere hundert bzw. tausend Durchläufe)
    • Automatisierte Auswertung und Berichterstellung inkl. Zusammenfassung
  • Unterstützung bei Entwicklung und der Lösung von Echtzeit-Aufgabenstellungen
    • Entwicklung von hocheffizienten Umrichter-nahen Regelungen
    • Entwicklung von Echtzeitmodellen für den Einsatz in HIL-Systemen (hardware in the loop)
  • Entwicklung von prozessorientierten Lösungen
    • Entwicklung komplexer Post-Processing- und Reporting-Automatismen für Qualitätssicherungsaufgaben
    • Entwicklung komplexer Import- und Export-Funktionalitäten auf Basis von Parser-Generator- sowie Graphen-Analyse-Funktionalitäten
    • Entwicklung komplexer GUI-Strukturen (graphical user interface) für den Einsatz auf gängigen Plattformen (z.B. Windows, IOS, Android)

Neben der benutzerfreundlichen Modellierung auf Basis von Schaltbildern (das Modell wird automatisch erstellt), zeichnet sich VIAvento vor allem durch die komplette Begleitung Ihres Prozesses in einem einzelnen Programm aus. Vom Beginn der Entwicklung bis zur Generierung des Echtzeit-fähigen Codes für Ihre Anlage, werden alle Schritte durch ein professionelles Programm begleitet.