Thermische Modellierung von Netzkomponenten für die Elektromobilität

Abstract

Aufgrund des stetig vorangetriebenen Bedarfs an Energie wird in der heutigen Zeit immer mehr versucht diesen Anspruch mit verschiedensten Formen der Energiegewinnung zu decken. Um den Grad des bereits vorherrschenden Klimawandels dabei jedoch zu minimieren, wird ein Großteil der zukünftigen Energie durch erneuerbare Energieträger wie Photovoltaik, Wind, Geothermie, Wasserkraft etc. bereitgestellt. Leider erreicht man durch den vermehrten Einsatz dieser erneuerbaren Energieträger einen stark fluktuierenden Verlauf der Auslastung der Leitungen. Durch diese dynamischen Einspeiseprofile, aber auch durch die Last-seitig immer dynamischeren Profile werden immer höhere Ansprüche an die bereitgestellte Infrastruktur gestellt.<br />Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Auswertung der Belastungsprofile und welche thermischen Auswirkungen diese auf die einzelnen Netzkomponenten besitzen. Durch eine transiente thermische Modellierung sollen diese Grenzen ausgelotet und vor allem für Niederspannungskabel erörtert werden. Anhand dieser Erkenntnisse soll eine effizientere Nutzung der bereitgestellten Ressourcen gewährleistet werden.<br />Zunächst wird eine kurze Einleitung über dir grundsätzliche Thematik gegeben, um den Kern der Problematik genauer zu erfassen. Danach werden die Aufbauelemente für isolierte Kabel und Leitungen betrachtet. Hier werden materialspezifische Eigenschaften näher erörtert, aber auch grundlegende Zusammenhänge der Notwendigkeiten der einzelnen Schichten des Kabels, bzw. einer Leitung analysiert. Nachdem die Rahmenbedingungen geklärt wurden, wird die thermische Modellierung eines Kabels von Grund auf erarbeitet. Neben allgemeinen Verhältnissen werden die elektrischen Kenndaten besprochen und die Entstehung der Wärmewiderstände erklärt.<br />Aufgrund einer Analogie, die auf das ohmsche Gesetz beruht, wird schließlich das konkrete in dieser Arbeit verwendete thermische Modell vorgestellt. Dieses zunächst stationäre Modell wird auf das transiente Modell erweitert und beschrieben. Die Implementierung in Matlab/Simulink folgt anschließend. Wobei auf den genauen programmiertechnischen Hintergrund nach und nach näher eingegangen wird. Anhand der Daten aus dem ZENEM-Projekt (http://www.ea.tuwien.ac.at/projekte/zenem/) können die für die Modellierung erforderlichen Input-Daten der Last- und Einspeiseprofile im beispielhaften Wiener Stadtnetz vorgestellt werden.<br />Nachdem alle theoretischen Themen aufgearbeitet und das transiente Modell beschrieben worden ist, werden die Ergebnisse der vier verschiedenen Szenarien durchgesprochen. Dabei lassen sich gut die Einflüsse der einzelnen Veränderungen gegenüber dem Basisszenario anhand diverser Grafiken anschaulich gegenüberstellen. Es lässt sich dabei zeigen, dass sich das Kabel im Basisszenario nur in geringer Auslastung befindet. Durch Einbringung zusätzlicher Verbraucher und Erzeuger lassen sich die Auslastungen deutlich erhöhen, wobei lediglich kurze thermische Grenzverletzungen in Kauf genommen werden müssen. Abschließend wird die Zusammenfassung der einzelnen Ergebnisse präsentiert und ein Ausblick über mögliche Entwicklungen und Chancen für die Zukunft gegeben, um die Möglichkeiten der Ressourcennutzung aufzuzeigen.<br />

Nowadays mankind is more and more trying to cover the requirements of energy using various forms of energy. To minimize the degree of the already prevailing climate change, a major part of the future energy is used by renewable energy sources, such as solar, wind, geothermal, hydro-power and so on. Unfortunately, a strongly fluctuating course of capacity will be reached through the increased use of renewable energy sources. Because of this dynamic delivery profile and the through the load-side more dynamic profile, the demands on the provided infrastructure are increasing.<br />This thesis deals with the evaluation of the load profiles, and what thermal impact they have on the individual network components. By a transient thermal modelling these limits should be found, especially for low- voltage cable. Based on these findings, a more efficient use of the resources will be guaranteed. How this use might look like, will be treated in the following chapters.<br />Initially a short introduction is given about the fundamental issue in order to capture the essence of the problem in detail. Thereafter, the construction elements for insulated cables and wires will be treated. In this section material- specific properties are mainly discussed in detail. Once the basic conditions have been clarified, the thermal modelling of a cable will be developed. In addition to general conditions, electric characteristics are discussed as well as the origin of thermal resistances. Because of an analogy which is based on Ohm's law, the concrete thermal model which is used in this thesis is presented.<br />Based on this stationary model, it is extended to the transient model and described thereafter. Then follows the implementation in Matlab/Simulink. The precise technical programming background will be discussed consecutively. Through the data of the ZENEM-project (http://www.ea.tuwien.ac.at/projekte/zenem/) the necessary input data for the modelling of load and delivery profile in a Vienna exemplary electrical network can be provided. As soon as all theoretical subjects have been worked up and the transient model has been described, the results of the four different scenarios will be discussed. There you can easily see the changes compared to the basic scenario. These changes are compared graphically in some plots. Itis seen here that the cable in the basic scenario is only in low utilization. By introducing additional consumers and producers the workload can significantly increase with only short thermal boundary violations must be taken into account. Finally, the combination of the individual results is presented. Furthermore, an outlook on possible developments and opportunities for the future is given to demonstrate the possibilities of the use of resources.