Detlef Schulz (Hrsg.) NEIS 2017 ... Detlef Schulz (Hrsg.) NEIS 2017 Conference on Sustainable Energy

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    Detlef Schulz (Hrsg.)

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    Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems

    Hamburg · 21 – 22 September 2017

    NEIS 2017

    © Uwe Schlick / PIXELIO

  • NEIS 2017

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  • Detlef Schulz (Hrsg.)

    NEIS 2017 Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems

    Hamburg · 21 – 22 September 2017

    Conference Chair: Prof. Dr. Detlef Schulz Technical Program Chair: Marc Florian Meyer Conference Treasurer: Florian Grumm

    VDE VERLAG GMBH

  • Titelfoto: © Uwe Schlick / www.pixelio.de

    Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

    ISBN 978-3-8007-4445-9 (Buch) ISBN 978-3-8007-4545-6 (E-Book)

    © 2018 VDE VERLAG GMBH · Berlin · Offenbach, Bismarckstraße 33, 10625 Berlin www.vde-verlag.de

    Alle Rechte vorbehalten.

    Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zu stimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbeschreibungen etc. berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Markenschutz- Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und von jedermann benutzt werden dürfen. Aus der Veröffentlichung kann nicht geschlossen werden, dass die beschriebenen Lösungen frei von gewerblichen Schutzrechten (z. B. Patente, Gebrauchsmuster) sind. Eine Haftung des Verlags für die Richtigkeit und Brauchbarkeit der veröffentlichten Programme, Schaltungen und son- stigen Anordnungen oder Anleitungen sowie für die Richtigkeit des technischen Inhalts des Werks ist ausgeschlossen. Die gesetzlichen und behördlichen Vorschriften sowie die technischen Regeln (z. B. das VDE-Vorschriftenwerk) in ihren jeweils geltenden Fassungen sind unbedingt zu beachten.

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    http://www.pixelio.de http://dnb.dnb.de http://www.vde-verlag.de

  • Preface

    The transition of the electrical power system from centralized power generation to distributed generation without fossil and nuclear fuels is the great challenge of the next decades for the energy sector. Complex technical ever-changing issues have to be investigated by researchers and energy companies.

    The NEIS 2017 was the fifth conference „Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems“. The NEIS provides a yearly occasion for scientists to present their current work. It is organised by the Chair of Electrical Power Systems of the Helmut Schmidt University/University of the Armed Forces Hamburg. In 2017, the NEIS was technically co-sponsored by the German chapter of the IEEE Power and Energy Society.

    I really appreciate that Prof. Dr.-Ing. István Erlich from the University of Duisburg-Essen and Prof. Dr.-Ing Jian Sun from the Rensselaer Polytechnic Institute held two inspiring keynote speeches.

    Prof. Dr.-Ing. István Erlich held a speech about “Control Challenges in Power Systems Dominated by Converter Interfaced Generation and Transmission Technologies”.

    Prof. Dr.-Ing Jian Sun talked about „Analysis and Mitigation of Renewable Energy and HVDC System Resonances“.

    Their expertise gave great inputs and impulses to the discussions in the conference sessions. I am grateful for the commitment of the session chairs, the reviewers, the scientific advisory board and the presenting authors. They ensured the quality of the conference contributions and discussions. My always very engaged team of scientists and assistants guaranteed a trouble-free course of the conference.

    Last but not least, I thank the CEO of the local distribution system operator Stromnetz Hamburg GmbH, Mr. Thomas Volk and his colleagues for the organization of the interesting visit to the modernized 110 kV switch- gear station in Hamburg-Jenfeld.

    Detlef Schulz Hamburg, October 2017

    NEIS Conference 2017 21. – 22.09.2017 in Hamburg

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  • Conference Organisation

    Conference-Chair: Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz

    Executive Conference Coordinators: Marc Florian Meyer Florian Grumm

    Design, Marketing Endrik Waldhaim Michael Bölke Marc Meyer Florian Grumm

    Lighting, Sound and Stage Dr.-Ing. Trung Thanh Do Robert Hankers Dr.-Ing. Michael Jordan Gesa Kaatz Marc Schumann Maik Plenz

    Registration Sahar Darvish Munira Halimjanova Melanie Schnackenbeck Catja Wilkens

    NEIS Conference 2017 21. – 22.09.2017 in Hamburg

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  • With the Friendly Assistance of Cluster Erneuerbare Energien Hamburg

  • Scientific Advisory Board

    Prof. Frede Blaabjerg, Ph.D. Aalborg University Department of Energy Technology

    University of Zielona Góra

    Prof. Dr.-Ing. Martin Braun University of Kassel Energy Management and Power System Operation (e²n)

    Dr.-Ing. Ralph Brocke Dehn + Söhne GmbH + Co. KG. Research & Development

    Prof. Dr.-Ing István Erlich University of Duisburg-Essen Institute of Electrical Power Systems

    Prof. Magdi S. Mahmoud, Ph.D. King Fahd University of Petroleum & Minerals Systems Engineering Department

    Dr.-Ing. Anne-Katrin Marten 50Hertz Transmission GmbH Concepts and Systems Analysis

    Dr.-Ing. Ivana Mladenovic Siemens AG Siemens Corporate Technology’s Research and Technology Center

    Dr.-Ing. Hendrik Neumann Amprion GmbH System Management

    Prof. Dr.-Ing. Volker Staudt Ruhr-Universität Bochum Power Systems Technology and Power Mechatronics

    Prof. Dr.-Ing. Kai Strunz Technische Universität Berlin Sustainable Electric Networks and Sources of Energy

    Prof. Dr.-Ing. Wolfram Wellßow University of Kaiserslautern Chair for Energy Systems and Energy Management

    Prof. Dr.-Ing. Martin Wolter Otto-von-Guericke-University Institute of Electric Power Systems

    NEIS Conference 2017 21. – 22.09.2017 in Hamburg

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  • Table of Contents

    Keynote

    Control Challenges in Power Systems Dominated by Converter Interfaced Generation and Transmission Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    Oral Presentations

    Session 1: „Grid Operation and Micro Grid Control Session Chair: Prof. Dr.-Ing. Volker Staudt

    1. Variants of Decentralized Voltage and Reactive Power Control of Wind Farms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    2. Stability of Fast Q(U) Voltage Droop Control of Wind Parks in High Voltage Distribution Grids. . . . 32

    3. Mathematical Modeling and Evaluation of a Microgrid Demonstrator in Island Mode . . . . . . . . . . . . . 39

    4. Power System Restoration and Operation of Island Grids with Frequency Dependent Active . . . . . . . 45

    Session 2: Grid and Plant Protection Session Chair: Prof. Dr.-Ing. Christian Becker

    1. A Combined Electronic Overvoltage and Overcurrent Protection Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    2. Influence of Virtual Impedance on Short Circuit Performance of Virtual Synchronous Machines in the 9-Bus System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    3. Advanced Modelling of Equivalent Networks Considering Full-Size Converters in Short-Circuit Current Calculations According to IEC 60909-0:2016 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    4. Detailed discussion of HVDC-Transmission system fault mitigation by MMC based converter stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

    Session 3: Optimization of Grid Operation Session Chair: Dr.-Ing. Mirco Alpen

    1. Applying Synthetic Distribution Grids for Sensitivity Studies of Grid Expansion Reduction by Curtailment Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

    2. Comparing Local and Wide Area Control Topologies for Oscillation Damping in Electrical Power Systems Using Kinetic Energy of Wind Power Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    3. Model predictive load compensation in distribution grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    Session 4: Power Quality Session Chair: Dr.-Ing. Ivana Mladenovic

    1. Impact of Dependence on State Identification Results in Distribution Grids Using Copula Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

    2. Development of an Antiserial Super Cascode for the Determination of the Grid Impedance on the Medium-Voltage Level . . . . . . . . . . . . . . . .