Vom Simulationsmodell zum Laborprototypen

Im Rahmen meiner Forschung beschäftige ich mich mit Gleichstromsystemen, und zwar mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ, engl. HVDC). Ziel ist es, ein vermaschtes HVDC-System im Labormaßstab als Prototypen aufzubauen, um damit allgemein Schutz-, Regelungs- und Betriebskonzepte solcher Systeme und entsprechende Simulationsmodelle zu validieren.

Systems Engineering als Methodik für die Prototypenentwicklung

Da die Entwicklung eines solchen Laborprototypen sehr komplex ist, nutze ich Systems Engineering (SE) als Methodik, die diesen Entwicklungsprozess strukturiert. Mit Hilfe von 14 technischen Prozessen, von denen nicht alle benötigt werden, kann der Prototyp systematisch entwickelt, implementiert und validiert werden.

Die technischen Prozesse können gut mit Hilfe von studentischen Arbeiten entwickelt und auf den Laborprototypen angewendet werden. Mehrere Prozesse werden dabei zusammengefasst und entsprechen den Kategorien Anforderungsanalyse, Systementwurf, Implementierung und Validierung.

Echtzeitsimulation

Aufgrund der Komplexität des HVDC-Systems werden einige Komponenten nicht im Labor aufgebaut, sondern in Echtzeit simuliert und mit den übrigen Komponenten im Labor verbunden. Methoden der Echtzeitsimulation sind daher notwendig, vor allem werden Hardware-in-the-Loop (HiL), Power-Hardware-in-the-Loop (PHiL) und Rapid Control Prototyping (RCP) genutzt.

Komponentenbau

Einige Komponenten können nicht zugekauft, sondern müssen selbst gebaut werden. Darunter sind zum Beispiel Kabelnachbildungen, aber auch ein Umrichter, ein Modular Multilevel Converter (MMC), der bei HVDC-Systemen Anwendung findet, wird entwickelt, implementiert und validiert. Hier müssen elektronische Schaltungen entworfen, Leistungselektronik getestet und Regelalgorithmen auf Mikrocontrollerbasis programmiert werden. Test und Inbetriebnahme der Komponenten erfolgt mit HiL und PHiL.