The character of modern power systems is changing rapidly and inverters are taking over a considerable part of the energy generation. A future purely inverter-based grid could be a viable solution, if its technical feasibility can be first validated. The focus of this work lies on inverter dominated microgrids, which are also mentioned as 'hybrid' in several instances throughout the thesis. Hybrid, as far as the energy input of each generator is concerned. Conventional fossil fuel based generators are connected in parallel to renewable energy sources as well as battery systems. The main contributions of this work comprise of: The analysis of detailed models and control structures of grid inverters, synchronous generators and battery packs and the utilization of these models to formulate control strategies for distributed generators. The developed strategies accomplish objectives in a wide time scale, from maintaining stability during faults and synchronization transients as well as optimizing load flow through communication-free distributed control. Die Struktur der modernen Energieversorgung hat sich in den letzten Jahrzehnten massiv geändert. Dezentrale Generatoren, die auf Wechselrichtern basieren, übernehmen einen großen Teil der Energieerzeugung. Ein ausschließlich wechselrichterbasiertes Netz wäre ein realistischer Ansatz, wenn seine technische Machbarkeit verifiziert werden könnte. Die wichtigste Beiträge dieser Arbeit sind: Die Analyse von Modellen und Regelstrukturen von Netzwechselrichtern, Synchrongeneratoren und Batterieanlagen. Die entwickelten Modelle werden verwendet, um Regelstrategien für dezentrale Generatoren in Mittelspannungsinselnetzen zu formulieren. Die erste Strategie ist eine Synchronisationsmethode für netzbildende Wechselrichter. Zweitens wird die Leistungsaufteilung in Mittelspannungsinselnetzen mittels Droop Regelung analysiert. Weiterhin erfolgt die Untersuchung der transienten Lastaufteilung zwischen netzbildenden Einheiten mit unterschiedlichen Zeitkonstanten. Beim Betrieb mehrerer paralleler Wechselrichter wird der Einfluss der Netzimpedanz auf die transiente Lastaufteilung analysiert. Die dritte entworfene Regelstrategie umfasst die Integration der Sekundärregelung in die Primärregelung. Der Ladezustand von Batterien wird mit der Lastaufteilung gekoppelt, um die Autonomie des Netzes zu stärken. Abschließend wird eine Kurzschlussstrategie für netzbildende und netzspeisende Wechselrichter entwickelt. Ziel der Strategie ist die Maximierung des Kurzschlussstromes. Als zusätzliche Randbedingung soll keine Kommunikation zwischen Generatoren stattfinden.

Grid converters increasingly affect power system operation due to the increasing share of renewable energy sources and less conventional power plants. This shift in power generation leads to converter-dominated weak grids, which show critical stability phenomena but also enable converters to contribute to grid stability and voltage support. This thesis presents critical parts of converter controls and describes models to assess their characteristics. These models are used to derive design criteria and dedicated stability analysis methods for grid converter controls. Der steigende Anteil an erneuerbaren Energien in den Energieversorgungsnetzen führt zur Verdrängung konventioneller Kraftwerke. Diese Entwicklung lässt umrichterdominierte und schwache Netzabschnitte entstehen, die kritischen Stabilitätsmechanismen unterliegen, allerdings auch ermöglichen, dass Umrichter aktiv zur Netzstützung und Netzstabilität beitragen können. Die vorliegende Arbeit beschreibt kritische Regelungskomponenten der Umrichter und deren Modellierung. Auf Basis der Modelle werden Auslegungskriterien für die Regelungen abgeleitet und dedizierte Stabilitätsanalysemethoden präsentiert.

The stability of power systems and microgrids is compromised by the increasing penetration with power electronic devices, such as wind turbines, photovoltaics and batteries. A simulation and optimization environment for such low-inertia systems is created. It is investigated how accurate the models need to be to capture the prevailing modes. An evolutionary algorithm tailored to optimization problems with computationally intensive fitness evaluation is proposed in order to optimized the controller parameters of grid-forming and grid-supporting distributed generators. It becomes apparent that microgrids dominated by grid-forming inverters are very stable systems when well-designed and optimized controllers are used. Model simplifications, such as the neglect of inner control loops of inverters, must be examined carefully, as they can lead to an inaccurate stability assessment.

This book addresses the need to understand the development, use, construction, and operation of smart microgrids (SMG). Covering selected major operations of SMG like dynamic energy management, demand response, and demand dispatch, it describes the design and operational challenges of different microgrids and provides feasible solutions for systems. Smart Micro Grid presents communication technologies and governing standards used in developing communication networks for realizing various smart services and applications in microgrids. An architecture facilitating bidirectional communication for smart distribution/microgrid is brought out covering aspects of its design, development and validation. The book is aimed at graduate, research students and professionals in power, power systems, and power electronics. Features: • Covers a broad overview of the benefits, the design and operation requirements, standards and communication requirements for deploying microgrids in distribution systems. • Explores issues related to planning, expansion, operation, type of microgrids, interaction among microgrid and distribution networks, demand response, and the technical requirements for the communication network. • Discusses current standards and common practices to develop and operate microgrids. • Describes technical issues and requirements for operating microgrids. • Illustrates smart communication architecture and protocols.

This thesis gives an overview of test bench design for inverter operated Medium Voltage (MV) drives with the focus on the active power measurement. The sources of measurement setup uncertainty are analysed and methods are shown to assess these uncertainties. Further, a possibility is shown to do quantitative uncertainty estimations which are verified with measurements through different measurement setups for MV drives operated with multilevel converters. The influence of measurement transducers, voltage dividers, power meters and data acquisition boards are considered. The digital signal processing is analysed and the possibilities to reduce its uncertainty contribution on an active power measurement is shown. An analysis is made with the conventional measurement devices in the MV-range. The transfer behaviour of the devices and the characteristics of the uncertainty are investigated. Measurements are done on typical medium voltage drives with an uncertainty analysis, which shows the essential aspects of active power measurement. The results show the significance of a measurement setup performance. The investigations on the drives are used to indicate the impact on the determination of the drive efficiency and gives a significant input for further standardisation processes. The handling of measurement uncertainties during active power measurement of drives is shown concerning the permanent topic of energy saving and its efficient use. The work proposes a way of categorising electrical drives in energy efficiency classes and to make their determination comparable. Die vorliegende Dissertation gibt einen Überblick über den Prüfstandsaufbau von umrichtergetriebenen Mittelspannungsantrieben. Die Unsicherheitsquellen werden analysiert und Methoden werden aufgezeigt um die Messunsicherheit zu bewerten. Des Weiteren werden die Machbarkeit von Unsicherheitsabschätzungen gezeigt, welche mit Messungen an typischen Mittelspannungsantrieben mit Umrichterspeisung verglichen werden. Der Einfluss von Messwandlern, Spannungsteilern, Leistungsmessern und Messkarten zur Signalerfassung wird berücksichtigt. Die digitale Signalverarbeitung wird analysiert um den Unsicherheitsbeitrag zur Wirkleistungsmessung zu reduzieren. Es werden konventionellen Messwandler und -teiler im Mittelspannungsbereich bezüglich ihres Übertragungsverhal- tens sowie Messunsicherheiten untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen verdeutlichen die Signifikanz eines performanten Messaufbaus. Des Weiteren werden Auswirkun- gen auf die Bestimmung der Effizienz aufgezeigt. Die Arbeit liefert einen wesentlichen Beitrag für weitere Standardisierungsprozesse. Der Umgang mit Messunsicherheiten der Wirkleistungsmessung wird betrachtet im Hinblick auf Energieeinsparpotenziale und deren effiziente Nutzung. Die Arbeit schlägt eine Möglichkeit vor, wie elektrische Antriebe in Energieeffizienzklassen kategorisiert werden können um diese vergleichbar zu machen.

This book includes papers presented at the Second International Conference on Electronic Engineering and Renewable Energy (ICEERE 2020), which focus on the application of artificial intelligence techniques, emerging technology and the Internet of things in electrical and renewable energy systems, including hybrid systems, micro-grids, networking, smart health applications, smart grid, mechatronics and electric vehicles. It particularly focuses on new renewable energy technologies for agricultural and rural areas to promote the development of the Euro-Mediterranean region. Given its scope, the book is of interest to graduate students, researchers and practicing engineers working in the fields of electronic engineering and renewable energy.