Simulation des Betriebes eines DC Netzes

Abstract

Die Verteilung der elektrischen Energie in Niederspannungsnetzen erfolgt in der heutigen Zeit durch Vierleitersysteme im AC Betrieb. Durch die steigende Anzahl von dezentralen Energieerzeugern, wie z. B. PV Anlagen, Kleinwindkraftanlagen und zukünftig Brennstoffzellen, werden die Anforderungen an den Betrieb von Niederspannungsnetzen immer größer. Eine Möglichkeit zur Vereinfachung der nachhaltigen Energieversorgung ist die Errichtung von DC Verteilungsnetzen. Dadurch könnte auf viele Komponenten, wie z. B.<br />Wechselrichter von PV Anlagen oder Netzteile am Endverbraucher zur Gleichrichtung von Strom, verzichtet und durch eine zentrale Gleichrichtereinheit effizient ersetzt werden.<br />In dieser Arbeit werden Untersuchungen zur Umstellung eines bestehenden AC Niederspannungsnetzes, mit Haushalten als Verbraucher und PV Anlagen als dezentrale Erzeuger, auf ein DC Verteilungsnetz durchgeführt. Für das verwendete Netz sind zur Analyse gemessene Jahreswerte der Last- und Einspeiseprofile verfügbar.<br />Nach Festlegung der Betriebsspannungen und der verwendbaren Gleichrichter, wird mittels MATLABr eine Simulation des Lastflusses zur Erfassung der Verluste, der Strombelastung der Leiter und der im Netz entstehenden Spannungsschwankungen ausgeführt.<br />Anschließend wird ein Konzept zur Absicherung und Erdung in DC Verteilungsnetzen erarbeitet. Dabei wird speziell auf die verwendbaren Sicherungen und die Komponenten zur Bereitstellung der Kurzschlussströme im Fehlerfall eingegangen. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit werden die Ausbaumöglichkeiten von PV Anlagen in Abhängigkeit der Betriebsspannung im verwendeten DC Verteilungsnetz untersucht. Mittels dieser Ergebnisse werden die Kosten einer Realisierung des DC Netzes mit und einer ohne Rückspeisung der überschüssigen PV Energie verglichen.<br />

Nowadays distribution of electrical energy in low-voltage grids is realized by four-wire AC systems. Due to the rise of decentralized power generation, such as solar power systems, small wind turbines and in the future fuel cells, requirements for operating low-voltage grids increase. An alternative way to simplify sustainable energy supply is a DC grid.<br />Thereby components of an AC grid, like power inverters for solar system or power supply units for DC loads, could be replaced with more efficient central rectifiers.<br />This paper investigates the possibilities of the adaptation of existing AC grids to DC grids. The AC grid consists of solar power systems for generation and households as loads.<br />Electrical consumption of households and feeding of solar power systems taken over the course of one year are available for analysing the grid. After defining operating voltages and applicable rectifiers a load flow simulation is performed by MATLABr. Yielding line losses, maximum line current and voltage fluctuations in the DC grid.<br />Afterwards a concept for protection and earthing is designed. Focusing on applicable fuses and on components used to provide transient short circuit currents for a reliable trip out of the fuses in case of an error. Finally possibilities for expansion of solar power systems with respect to the operating voltage in this particular DC grid are investigated.<br />Using this results the costs of an implementation with and without feedback of excessed solar power in the simulated DC grid are compared.