Asynchronous Grid Connections as Distribution Grid Interfaces: Control, Services, and Economic Viability

Die Energiewende stellt derzeit eine der größten ingenieurtechnischen Herausforderungen dar.
Asynchrone Netzkopplungen - leistungselektronische Systeme, die zwei Netze koppeln und eine Regelung der übertragenen Leistung und der angeschlossenen Netze ermöglichen - sind eine vielversprechende Technologie für eine erfolgreiche Transformation des Energiesystems.
Ihre Fähigkeit, den Leistungsfluss anzupassen und Netzunterstützung je nach aktuellem Netzzustand bereitzustellen, kann sie zu einem Schlüsselelement für ein widerstandsfähiges und nachhaltiges Energiesystem machen.
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Für eine erfolgreiche Anwendung der Technologie muss sich der Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre jedoch vom Hardware-Design hin zu einer zuverlässigen und zweckdienlichen Regelung und Integration in das Energiesystem verlagern.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die bestehende Lücke zwischen der Bewertung leistungselektronischer Hardware und der Analyse des Energiesystems zu schließen.
Um einen fundierten Hintergrund zu schaffen, werden Regelungskonzepte für asynchrone Netzkopplungen und ihr Potenzial zur Netzunterstützung analysiert.
Darauf aufbauend wird ein neues Regelungskonzept vorgestellt, das Frequency Propagation-Konzept, welches die Frequenz des Primärnetzes nutzt, um die Regelungsziele des leistungselektronischen Systems, insbesondere den Wirkleistungsfluss, zu beeinflussen.
Dieses Konzept nutzt frequenz- und spannungsabhängige Ressourcen im Verteilnetz, um deren Wirkleistungssollwerte zu steuern und Netzfrequenzstörungen zu mindern.
Die Fähigkeit zur Bereitstellung von Frequenzregelungsdiensten und deren Auswirkungen auf das Energiesystem werden mittels PHIL experimentell validiert und bewertet.
Auf Basis dieser Validierung wird eine wirtschaftliche Bewertung einer asynchronen Netzkopplung durchgeführt, die an einem Frequenzregelungsmarkt in Nordamerika teilnimmt.
Die wirtschaftliche Machbarkeit wird unter Verwendung gängiger Kennzahlen für Einnahmen und zukünftigen Cashflow, die auf Langzeit-Netzsimulationen basieren und mit realen Marktdaten verknüpft sind, demonstriert.

Die vorliegende Arbeit demonstriert asynchrone Netzkopplungen, welche dynamische Netzschnittstellen und damit neue Betriebsparadigmen für nachhaltige Energiesysteme ermöglichen.
Mit der Kombination aus Systemanalyse, experimenteller Validierung, und wirtschaftlicher Analyse, wird ein umfassender Rahmen für die zukünftige Forschung zu leistungselektronischen Systemen in dezentralen und asynchronen Netzarchitekturen geschaffen.

The power system transition is currently one of the major challenges in engineering.
Asynchronous grid connections - power electronics based systems that couple two grids and enable advanced control of the transferred power and connected grids - are a promising technology to enable a smooth power system transition.
Their ability to adapt the power flow and offer advanced grid control features based on real-time grid conditions makes them a key enabler for a resilient and sustainable power system.
However, for a successful deployment of technology the research focus of recent years on hardware design and control needs to shift toward the reliable and purposeful integration into the power system.
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Bridging the existing gap between power electronic hardware assessment and power system analysis is the primary objective of this thesis.
To provide a sound background, control concepts for asynchronous grid connections and their potential to be offered as grid services are analyzed.
Building upon that analysis, a new control concept is proposed, the Frequency Propagation concept, which uses the frequency of the primary grid to influence the control objectives of the power electronic system, specifically the active power flow.
This concept leverages frequency and voltage dependent resources in the distribution grid to control their active power set points and mitigate grid frequency disturbances.
The capability to offer frequency response services and its power system level impact is experimentally validated and assessed using PHIL.
Based on that validation, a case study for the economic assessment of an asynchronous grid connection participating in a frequency response market in North America is conducted.
The economic viability is demonstrated using state-of-the-art metrics for revenue and future cash flow based on long-term power system simulations paired with real market data.

This work demonstrates the ability of asynchronous grid connections operating as dynamic grid interfaces enabling new operational paradigms for sustainable power systems.
The combination of experimental validation, power system impact assessment, and robust economic analysis establishes a comprehensive framework for future system analysis and research on power electronic systems enabling clustered and decentralized grid architectures.
Such sophisticated concepts and grid architectures can enable the resilient, flexible, and sustainable power system of the future.