This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.:1 Introduction 2 State of the art of SiC devices and medium-voltage diodes 2.1 Silicon carbide diodes and medium-voltage modules 2.2 Medium-voltage power diodes 3 Characterization of the SiC PiN diode module 37 3.1 Introduction 3.2 Experimental setup 3.3 Experimental results: static behaviour 3.4 Experimental results: switching behaviour 3.5 Comparison with 6.5-kV silicon diode 3.6 Oscillations in the SiC diode 3.7 Summary 4 Comparison at converter level 4.1 Introduction 4.2 Power device modelling 4.3 Determination of maximum converter power rating 4.4 Analysis 4.5 Increased efficiency through model predictive control 4.6 Summary 5 Conclusion

Rund 70 % der Energieaufnahme von elektrischen Antriebssystemen wird von quasistationären Antrieben in Transportanlagen hervorgerufen. Eine gesteigerte Energieeffizienz führt neben reduzierten Energiekosten zu weiteren Nutzeffekten, wie z.B. einem verringerten Kühlaufwand, einem kleinerem Bauraum und einer höheren Lebensdauer der Komponenten. Zur Steigerung der Energieeffizienz dieser Transportanlagen werden in dieser Arbeit Methoden zur Auslegung der zugehörigen Antriebssysteme unter besonderer Berücksichtigung des Förderprozesses erarbeitet. Als repräsentative Transportanwendungen werden Pumpen- und Förderbandanlagen untersucht. Dabei wird das gesamte elektromechanische System analysiert, um das volle Energiesparpotenzial zu erfassen – beginnend mit dem Lastprofil des transportierten Förderguts bis hin zur elektrischen Energieversorgung. Hierzu werden alle Systemkomponenten modelliert, um die Verluste in verschiedenen Betriebspunkten im Volllast- und Teillastbereich abzuschätzen. Darauf aufbauend erfolgt die Erarbeitung praktikabler Projektierungshinweise und prozessspezifischer Auswahldiagramme, welche eine schnelle Vorauswahl der energieeffizientesten Antriebstopologie ermöglichen. Da die Verlustmodelle auf frei zugänglichen Datenblattangaben basieren, können die vorgestellten Methoden und Auswahlkriterien bereits in einem frühen Projektierungsstadium zur Auslegung einer energieeffizienten Transportanlage angewandt werden.

Increasingly complex applications and recent shifts in technology scaling have created a large demand for microprocessors which can perform tasks more quickly and more energy efficient. Conventional microarchitectures exploit multiple levels of parallelism to increase instruction throughput and use application specific instruction sets or hardware accelerators to increase energy efficiency. Reconfigurable microprocessors adopt the same principle of providing application specific hardware, however, with the significant advantage of post-fabrication flexibility. Not only does this offer similar gains in performance but also the flexibility to configure each device individually. This thesis explored the benefit of a tight coupled and fine-grained reconfigurable microprocessor. In contrast to previous research, a detailed design space exploration of logical architectures for island-style field programmable gate arrays (FPGAs) has been performed in the context of a commercial 22nm process technology. Other research projects either reused general purpose architectures or spent little effort to design and characterize custom fabrics, which are critical to system performance and the practicality of frequently proposed high-level software techniques. Here, detailed circuit implementations and a custom area model were used to estimate the performance of over 200 different logical FPGA architectures with single-driver routing. Results of this exploration revealed similar tradeoffs and trends described by previous studies. The number of lookup table (LUT) inputs and the structure of the global routing network were shown to have a major impact on the area delay product. However, results suggested a much larger region of efficient architectures than before. Finally, an architecture with 5-LUTs and 8 logic elements per cluster was selected. Modifications to the microprocessor, whichwas based on an industry proven instruction set architecture, and its software toolchain provided access to this embedded reconfigurable fabric via custom instructions. The baseline microprocessor was characterized with estimates from signoff data for a 28nm hardware implementation. A modified academic FPGA tool flow was used to transform Verilog implementations of custom instructions into a post-routing netlist with timing annotations. Simulation-based verification of the system was performed with a cycle-accurate processor model and diverse application benchmarks, ranging from signal processing, over encryption to computation of elementary functions. For these benchmarks, a significant increase in performance with speedups from 3 to 15 relative to the baseline microprocessor was achieved with the extended instruction set. Except for one case, application speedup clearly outweighed the area overhead for the extended system, even though the modeled fabric architecturewas primitive and contained no explicit arithmetic enhancements. Insights into fundamental tradeoffs of island-style FPGA architectures, the developed exploration flow, and a concrete cost model are relevant for the development of more advanced architectures. Hence, this work is a successful proof of concept and has laid the basis for further investigations into architectural extensions and physical implementations. Potential for further optimizationwas identified on multiple levels and numerous directions for future research were described. / Zunehmend komplexere Anwendungen und Besonderheiten moderner Halbleitertechnologien haben zu einer großen Nachfrage an leistungsfähigen und gleichzeitig sehr energieeffizienten Mikroprozessoren geführt. Konventionelle Architekturen versuchen den Befehlsdurchsatz durch Parallelisierung zu steigern und stellen anwendungsspezifische Befehlssätze oder Hardwarebeschleuniger zur Steigerung der Energieeffizienz bereit. Rekonfigurierbare Prozessoren ermöglichen ähnliche Performancesteigerungen und besitzen gleichzeitig den enormen Vorteil, dass die Spezialisierung auf eine bestimmte Anwendung nach der Herstellung erfolgen kann. In dieser Diplomarbeit wurde ein rekonfigurierbarer Mikroprozessor mit einem eng gekoppelten FPGA untersucht. Im Gegensatz zu früheren Forschungsansätzen wurde eine umfangreiche Entwurfsraumexploration der FPGA-Architektur im Zusammenhang mit einem kommerziellen 22nm Herstellungsprozess durchgeführt. Bisher verwendeten die meisten Forschungsprojekte entweder kommerzielle Architekturen, die nicht unbedingt auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten sind, oder die vorgeschlagenen FGPA-Komponenten wurden nur unzureichend untersucht und charakterisiert. Jedoch ist gerade dieser Baustein ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit über 200 verschiedene logische FPGA-Architekturen untersucht. Zur Modellierung wurden konkrete Schaltungstopologien und ein auf den Herstellungsprozess zugeschnittenes Modell zur Abschätzung der Layoutfläche verwendet. Generell wurden die gleichen Trends wie bei vorhergehenden und ähnlich umfangreichen Untersuchungen beobachtet. Auch hier wurden die Ergebnisse maßgeblich von der Größe der LUTs (engl. "Lookup Tables") und der Struktur des Routingnetzwerks bestimmt. Gleichzeitig wurde ein viel breiterer Bereich von Architekturen mit nahezu gleicher Effizienz identifiziert. Zur weiteren Evaluation wurde eine FPGA-Architektur mit 5-LUTs und 8 Logikelementen ausgewählt. Die Performance des ausgewählten Mikroprozessors, der auf einer erprobten Befehlssatzarchitektur aufbaut, wurde mit Ergebnissen eines 28nm Testchips abgeschätzt. Eine modifizierte Sammlung von akademischen Softwarewerkzeugen wurde verwendet, um Spezialbefehle auf die modellierte FPGA-Architektur abzubilden und eine Netzliste für die anschließende Simulation und Verifikation zu erzeugen. Für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungs-Benchmarks wurde eine relative Leistungssteigerung zwischen 3 und 15 gegenüber dem ursprünglichen Prozessor ermittelt. Obwohl die vorgeschlagene FPGA-Architektur vergleichsweise primitiv ist und keinerlei arithmetische Erweiterungen besitzt, musste dabei, bis auf eine Ausnahme, kein überproportionaler Anstieg der Chipfläche in Kauf genommen werden. Die gewonnen Erkenntnisse zu den Abhängigkeiten zwischen den Architekturparametern, der entwickelte Ablauf für die Exploration und das konkrete Kostenmodell sind essenziell für weitere Verbesserungen der FPGA-Architektur. Die vorliegende Arbeit hat somit erfolgreich den Vorteil der untersuchten Systemarchitektur gezeigt und den Weg für mögliche Erweiterungen und Hardwareimplementierungen geebnet. Zusätzlich wurden eine Reihe von Optimierungen der Architektur und weitere potenziellen Forschungsansätzen aufgezeigt.

In Deutschland und Europa ist im Zuge der Energiewende erforderlich, mehr Elektroenergie mit bestehenden Freileitungen zu transportieren. Eine technische Lösung, mit der dieses Ziel erreicht werden kann, ist das Umbeseilen der Freileitung mit Hochtemperatur-Leiterseilen mit geringem Durchhang (High Temperature Low Sag – HTLS conductors). Diese Leiterseile haben gegenüber konventionellen Leiterseilen (z. B. Aluminium/Stahl-Leiterseilen) höhere Bemessungsströme und temperaturen. Die stromführenden Verbindungen mit HTLS-Leiterseilen werden damit ebenfalls höher thermisch belastet. Diese sind für den zuverlässigen und sicheren Betrieb der Freileitung sehr wichtige Betriebsmittel. Neben anderen Verbindungstechnologien hat sich bei den stromführenden Verbindungen mit konventionellen Leiterseilen das Sechskantpressen seit Jahrzehnten bewährt. Aus der Literatur sind fast ausschließlich empirische Untersuchungen mit dieser Verbindungstechnologie bekannt. Das elektrische Kontaktverhalten von Pressverbindungen wurde bisher nur unzureichend untersucht. In dieser Arbeit wird dazu ein elektrisches Modell vorgestellt und weiterentwickelt, mit dem das elektrische Kontaktverhalten von Pressverbindungen genauer beschrieben werden kann. Weiterhin werden prinzipielle Zusammenhänge zwischen der Stromverteilung in den Kontaktpartnern und deren Einfluss auf den Verbindungswiderstand dargestellt. Als Ergebnis von theoretischen und experimentellen Untersuchungen konnten allgemeine Empfehlungen für das Dimensionieren von Pressverbindungen mit konventionellen und HTLS-Leiterseilen erarbeitet werden. Aus der prinzipiellen Funktionsweise einer Pressverbindung ist bekannt, dass der Form-, der Kraft- und der Stoffschluss in der Verbindung das elektrische Kontaktverhalten beeinflussen. Insbesondere der Kraftschluss wurde in der Literatur bislang nur näherungsweise berechnet. In den bekannten analytischen Modellen werden die Geometrie der Kontaktpartner sowie das Werkstoffverhalten vereinfacht und die mechanischen Belastungen beim Fügen der Verbindung nicht genau genug berücksichtigt. Aus den genannten Gründen wurde das Fügen von Pressverbindungen mit mehrdrähtigen Leiterseilen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet. Die Press- und Kontaktkräfte konnten damit für alle Kontaktflächen in einer Verbindung ermittelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass insbesondere hohe Press- und Kontaktkräfte die Ursache für ein gutes elektrisches Kontaktverhalten einer Pressverbindung sind. Die physikalischen Ursachen dieses Zusammenhangs werden diskutiert. Das Langzeitverhalten von Pressverbindungen mit Verbund-Leiterseilen wurde experimentell untersucht. Die Ergebnisse der durchgeführten Langzeitversuche zeigen den Einfluss der Kontaktkraft im elektrischen Langzeitverhalten qualitativ auf. Bei den Pressverbindungen, für die nur sehr geringe Kontaktkräfte berechnet wurden, war das elektrische Langzeitverhalten weniger stabil. / In Germany and in Europe it is due to the “Energiewende” necessary to transmit more electrical ener-gy with existing overhead transmission lines. One possible technical solution to reach this aim is the use of high temperature low sag conductors (HTLS-conductors). Compared to the common Aluminium Conductor Steel Reinforced (ACSR), HTLS-conductors have higher rated currents and rated tempera-tures. Thus the electrical connections for HTLS-conductors are stressed to higher temperatures too. These components are most important for the safe and reliable operation of an overhead transmission line. Besides other connection technologies, hexagonal compression connections with ordinary transmis-sion line conductors have proven themselves since decades. From the literature, mostly empirical stud-ies with electrical tests for compression connections are known. The electrical contact behaviour, i.e. the quality of the electrical contact after assembly, of these connections has been investigated insuffi-ciently. This work presents and enhances an electrical model of compression connections, so that the electrical contact behaviour can be determined more accurate. Based on this, principal considerations on the current distribution in the compression connection and its influence on the connection re-sistance are presented. As a result from the theoretical and the experimental work, recommendations for the design of hexagonal compression connections for transmission line conductors were devel-oped. Furthermore it is known from the functional principle of compression type connections, that the elec-trical contact behaviour can be influenced from their form fit, force fit and cold welding. In particular the forces in compression connections have been calculated up to now by approximation. The known ana-lytical calculations simplify the geometry and material behaviour and do not consider the correct me-chanical load during assembly. For these reasons the joining process of hexagonal compression con-nections with stranded overhead transmission line conductors was calculated with the finite element method. The compression forces and the residual contact forces were determined for all contacts be-tween barrel and conductor as well as between the wires of the conductor. It was shown, that high compression and residual contact forces are the main cause of good electrical contact behaviour. The physical relations are discussed. The electrical long-term behaviour was furthermore investigated in experiments. The results confirm the influence of the residual contact force on the long-term behaviour qualitatively. Those compression connections, which had only small residual contact forces, were less stable in the long-term tests.

In this thesis, we investigate physical-layer network coding in an L × M × K relay network, where L source nodes want to transmit messages to K sink nodes via M relay nodes. We focus on the information processing at the relay nodes and the compute-and-forward framework. Nested lattice codes are used, which have the property that every linear combination of codewords is a valid codeword. This property is essential for physical-layer network coding. Because the actual network coding occurs on the physical layer, the network coding coefficients are determined by the channel realizations. Finding the optimal network coding coefficients for given channel realizations is a non-trivial optimization problem. In this thesis, we provide an algorithm to find network coding coefficients that result in the highest data rate at a chosen relay. The solution of this optimization problem is only locally optimal, i.e., it is optimal for a particular relay. If we consider a multi-hop network, each potential receiver must get enough linear independent combinations to be able to decode the individual messages. If this is not the case, outage occurs, which results in data loss. In this thesis, we propose a new strategy for choosing the network coding coefficients locally at the relays without solving the optimization problem globally. We thereby reduce the solution space for the relays such that linear independence between their decoded linear combinations is guaranteed. Further, we discuss the influence of spatial correlation on the optimization problem. Having solved the optimization problem, we combine physical-layer network coding with physical-layer secrecy. This allows us to propose a coding scheme to exploit untrusted relays in multi-user relay networks. We show that physical-layer network coding, especially compute-and-forward, is a key technology for simultaneous and secure communication of several users over an untrusted relay. First, we derive the achievable secrecy rate for the two-way relay channel. Then, we enhance this scenario to a multi-way relay channel with multiple antennas. We describe our implementation of the compute-and-forward framework with software-defined radio and demonstrate the practical feasibility. We show that it is possible to use the framework in real-life scenarios and demonstrate a transmission from two users to a relay. We gain valuable insights into a real transmission using the compute-and-forward framework. We discuss possible improvements of the current implementation and point out further work. / In dieser Arbeit untersuchen wir Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht in einem Relay-Netzwerk, in dem L Quellen-Knoten Nachrichten zu K Senken-Knoten über M Relay-Knoten senden wollen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Informationsverarbeitung an den Relay-Knoten und dem Compute-and-Forward Framework. Es werden Nested Lattice Codes eingesetzt, welche die Eigenschaft besitzen, dass jede Linearkombination zweier Codewörter wieder ein gültiges Codewort ergibt. Dies ist eine Eigenschaft, die für die Netzwerkcodierung von entscheidender Bedeutung ist. Da die eigentliche Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht stattfindet, werden die Netzwerkcodierungskoeffizienten von den Kanalrealisierungen bestimmt. Das Finden der optimalen Koeffizienten für gegebene Kanalrealisierungen ist ein nicht-triviales Optimierungsproblem. Wir schlagen in dieser Arbeit einen Algorithmus vor, welcher Netzwerkcodierungskoeffizienten findet, die in der höchsten Übertragungsrate an einem gewählten Relay resultieren. Die Lösung dieses Optimierungsproblems ist zunächst nur lokal, d. h. für dieses Relay, optimal. An jedem potentiellen Empfänger müssen ausreichend unabhängige Linearkombinationen vorhanden sein, um die einzelnen Nachrichten decodieren zu können. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu Datenverlusten. Um dieses Problem zu umgehen, ohne dabei das Optimierungsproblem global lösen zu müssen, schlagen wir eine neue Strategie vor, welche den Lösungsraum an einem Relay soweit einschränkt, dass lineare Unabhängigkeit zwischen den decodierten Linearkombinationen an den Relays garantiert ist. Außerdem diskutieren wir den Einfluss von räumlicher Korrelation auf das Optimierungsproblem. Wir kombinieren die Netzwerkcodierung mit dem Konzept von Sicherheit auf der Übertragungsschicht, um ein Übertragungsschema zu entwickeln, welches es ermöglicht, mit Hilfe nicht-vertrauenswürdiger Relays zu kommunizieren. Wir zeigen, dass Compute-and-Forward ein wesentlicher Baustein ist, um solch eine sichere und simultane Übertragung mehrerer Nutzer zu gewährleisten. Wir starten mit dem einfachen Fall eines Relay-Kanals mit zwei Nutzern und erweitern dieses Szenario auf einen Relay-Kanal mit mehreren Nutzern und mehreren Antennen. Die Arbeit wird abgerundet, indem wir eine Implementierung des Compute-and-Forward Frameworks mit Software-Defined Radio demonstrieren. Wir zeigen am Beispiel von zwei Nutzern und einem Relay, dass sich das Framework eignet, um in realen Szenarien eingesetzt zu werden. Wir diskutieren mögliche Verbesserungen und zeigen Richtungen für weitere Forschungsarbeit auf.

Ultrasonic transducers are used in many fields of daily life, e.g. as parking aids or medical devices. To enable their usage also for mass applications small and low- cost transducers with high performance are required. Capacitive, micro-machined ultrasonic transducers (CMUT) offer the potential, for instance, to integrate compact ultrasonic sensor systems into mobile phones or as disposable transducer for diverse medical applications. This work is aimed at providing fundamentals for the future commercialization of CMUTs. It introduces novel methods for the acoustic simulation and characterization of CMUTs, which are still critical steps in the product development process. They allow an easy CMUT cell design for given application requirements. Based on a novel electromechanical model for CMUT elements, the device properties can be determined by impedance measurement already. Finally, an end-of-line test based on the electrical impedance of CMUTs demonstrates their potential for efficient mass production.

Der Ausbau dezentraler Energieanlagen wie fotovoltaischen Anlagen beeinflusst die Netzzustände signifikant. Dabei ist unsicher, wo und in welchem Maße deren Ausbau zukünftig erfolgt. Es ist nun an den Netzbetreibern gleichzeitig die aktuellen Herausforderungen zu meistern und die Netzplanung und -regelung für die Zukunft zu aktualisieren. Eine statistische Methode wird entwickelt, die Verteilnetzplanung unter Einsatz von quasi-stationär modellierten ”Smart Grid”-Lösungen wie Blindleistungsreglern und regelbaren Ortsnetztransformatoren ermöglicht. Durch Stichprobenverfahren werden Unsicherheiten wie Ort, Größe und Leistungsprofile der Energieanlagen in das Netzmodell eingebunden. Diese als probabilistischer Lastfluss bekannte Methode wird durch Gütemaße im Bereich geringer Kombination evaluiert. Beispiele probabilistischer Netzplanung werden an Netztopologien präsentiert.:Abbildungsverzeichnis iv Tabellenverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis viii Formelzeichen x 1. Einleitung 1 1.1. Definition der Herausforderung 1 1.2. Netzplanung 2 1.3. Ziel der Arbeit3 1.4. Struktur der Arbeit 5 2. Normen und technische Rahmenbedingungen 6 2.1. DIN EN 50160 6 2.2. VDE-AR-N 41057 2.3. Technische Anschlussbedingungen 9 2.4. Erneuerbare-Energien-Gesetz 11 2.5. Zusammenfassung 12 3. Gliederung probabilistischer Lastflussverfahren 13 3.1. Punktschätzende und iterative Verfahren 14 3.2. Gliederung nach Stichprobenverfahren 15 3.3. Reduzierung des Grundraumes 16 3.3.1. Cluster-Analyse17 3.3.2. Ausreißerbehandlung 21 3.3.3. Wahrscheinlichkeits- und Verteilungsfunktion 21 3.4. Methode der Stichprobenziehung 22 3.4.1. Einfache Zufallsstichprobe 23 3.4.2. Systematische Stichprobe24 3.4.3. Geschichtete Zufallsstichprobe 25 3.5. Reduzierung des Stichprobenraumes 26 3.6. Invertierung von Stichproben 26 3.7. Zusammenfassung 27 4. Vergleich probabilistischer Verfahren 28 4.1. Nicht-Gaußsche Eingangsdaten 28 4.2. Bestimmung notwendiger Clusterzentren 29 4.3. Erstellung des Stichprobenraumes pro Kombination 31 4.4. Gütemaße und Effizienz von Stichprobenverfahren 33 4.4.1. Median 34 4.4.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 37 4.4.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 40 4.4.4. Zusammenfassung 43 4.5. Streuung der Stichprobenverfahren bei wiederholter Ausführung 44 4.5.1. Median 44 4.5.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 45 4.5.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 47 4.5.4. Zusammenfassung 49 4.6. Sensitivität bei unterschiedlicher Anzahl statistischer Netzknoten 52 4.6.1. Median 52 4.6.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 54 4.6.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 56 4.6.4. Zusammenfassung58 4.7. Notwendige Kombinationen für Ziel-Gütemaße 59 5. Software-basierte probabilistische Verteilnetzplanung 61 5.1. Struktur der entwickeltenSoftware 61 5.2. Last- und Erzeugungsprofile 63 5.2.1. Synthetische Haushaltslast 63 5.2.2. Elektrofahrzeug 64 5.2.3. Wärmepumpe 65 5.2.4. Photovoltaische Anlagen 66 5.2.5. Windenergieanlagen 66 5.3. Optimale Auswahl nach Regeleffizienz 67 5.4. DezentraleWirkleistungsregler 68 5.4.1. P(U)-Regler für Schnellladeinfrastruktur 68 5.4.2. P(U)-Regelung von Wärmepumpen gemäß thermischer Grenzen 69 5.5. Blindleistungsregler 72 5.5.1. Zentrale Steuerung 73 5.5.2. Dezentrale Regelung 75 5.5.3. Verteilte Regelung 79 5.6. Regelbarer Ortsnetztransformator 83 5.7. Automatisierte Netzausbauplanung 86 5.7.1. Transformatortausch 87 5.7.2. Vergrößerung des Leiterquerschnitts 89 5.7.3. Zusätzliche Stichleitung 89 5.7.4. Kostenberechnung 90 5.8. Zusammenfassung 91 6. Anwendungsfälle probabilistischer Planung 92 6.1. Verwendete Verteilnetzmodelle 94 6.2. Abschätzung der Auswirkung von PV-Anlagenausbau 95 6.2.1. Unterschiede der Planungsverfahren zur Schätzung der PVA-Nennleistung 95 6.2.2. Einfluss der Blindleistungsregelung auf mögliche Anlagenleistung 100 6.3. Abschätzung von Netzauslastungen in Wohngebieten 106 6.3.1. Annahmen und Szenarien 107 6.3.2. Auswertung der Knotenspannungen 110 6.3.3. Auswertung der Betriebsmittelauslastungen 116 6.4. Zusammenfassung 118 7. Zusammenfassung und Ausblick 119 Literaturverzeichnis 121 Anhang 135 A. Statistische Merkmale 135 A.1. Empirische Wahrscheinlichkeitsfunktion 135 A.2. Kumulative empirische Verteilungsfunktion 136 A.3. Quantile 136 A.4. Interquartilsabstand 137 B. PLF-Methoden 138 B.1. Veröffentlichte PLF-Methoden 138 B.2. Test Gaußsche Verteilung 138 C. Definitionen 140 C.1. Symbole für Flussdiagramme 140 C.2. Zählpfeilsystem 140 D. Ergänzende Ergebnisse 142 E. Danksagung 143 / Development of distributed energy units such as photovoltaic systems affects grid states significantly. It is uncertain, where and to what extent the development of these units is carried out in the future. It is now up to the distribution system operator to cope with todays grid challenges and to update grid planning and control for the future. A statistical method is developed, which incorporates quasi-stationary modeled ”smart grid” solutions such as reactive power controllers and on-load tap-changers. Uncertainties such as location, size and power profiles of energy systems are integrated into the grid model by sampling. This method is known as probabilistic load flow and is evaluated by quality measures at low combinations. Examples on probabilistic grid planning of different grid topologies are presented.:Abbildungsverzeichnis iv Tabellenverzeichnis viii Abkürzungsverzeichnis viii Formelzeichen x 1. Einleitung 1 1.1. Definition der Herausforderung 1 1.2. Netzplanung 2 1.3. Ziel der Arbeit3 1.4. Struktur der Arbeit 5 2. Normen und technische Rahmenbedingungen 6 2.1. DIN EN 50160 6 2.2. VDE-AR-N 41057 2.3. Technische Anschlussbedingungen 9 2.4. Erneuerbare-Energien-Gesetz 11 2.5. Zusammenfassung 12 3. Gliederung probabilistischer Lastflussverfahren 13 3.1. Punktschätzende und iterative Verfahren 14 3.2. Gliederung nach Stichprobenverfahren 15 3.3. Reduzierung des Grundraumes 16 3.3.1. Cluster-Analyse17 3.3.2. Ausreißerbehandlung 21 3.3.3. Wahrscheinlichkeits- und Verteilungsfunktion 21 3.4. Methode der Stichprobenziehung 22 3.4.1. Einfache Zufallsstichprobe 23 3.4.2. Systematische Stichprobe24 3.4.3. Geschichtete Zufallsstichprobe 25 3.5. Reduzierung des Stichprobenraumes 26 3.6. Invertierung von Stichproben 26 3.7. Zusammenfassung 27 4. Vergleich probabilistischer Verfahren 28 4.1. Nicht-Gaußsche Eingangsdaten 28 4.2. Bestimmung notwendiger Clusterzentren 29 4.3. Erstellung des Stichprobenraumes pro Kombination 31 4.4. Gütemaße und Effizienz von Stichprobenverfahren 33 4.4.1. Median 34 4.4.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 37 4.4.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 40 4.4.4. Zusammenfassung 43 4.5. Streuung der Stichprobenverfahren bei wiederholter Ausführung 44 4.5.1. Median 44 4.5.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 45 4.5.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 47 4.5.4. Zusammenfassung 49 4.6. Sensitivität bei unterschiedlicher Anzahl statistischer Netzknoten 52 4.6.1. Median 52 4.6.2. Median der absoluten Abweichung vom Median 54 4.6.3. Maximale normierte Perzentilsdifferenz 56 4.6.4. Zusammenfassung58 4.7. Notwendige Kombinationen für Ziel-Gütemaße 59 5. Software-basierte probabilistische Verteilnetzplanung 61 5.1. Struktur der entwickeltenSoftware 61 5.2. Last- und Erzeugungsprofile 63 5.2.1. Synthetische Haushaltslast 63 5.2.2. Elektrofahrzeug 64 5.2.3. Wärmepumpe 65 5.2.4. Photovoltaische Anlagen 66 5.2.5. Windenergieanlagen 66 5.3. Optimale Auswahl nach Regeleffizienz 67 5.4. DezentraleWirkleistungsregler 68 5.4.1. P(U)-Regler für Schnellladeinfrastruktur 68 5.4.2. P(U)-Regelung von Wärmepumpen gemäß thermischer Grenzen 69 5.5. Blindleistungsregler 72 5.5.1. Zentrale Steuerung 73 5.5.2. Dezentrale Regelung 75 5.5.3. Verteilte Regelung 79 5.6. Regelbarer Ortsnetztransformator 83 5.7. Automatisierte Netzausbauplanung 86 5.7.1. Transformatortausch 87 5.7.2. Vergrößerung des Leiterquerschnitts 89 5.7.3. Zusätzliche Stichleitung 89 5.7.4. Kostenberechnung 90 5.8. Zusammenfassung 91 6. Anwendungsfälle probabilistischer Planung 92 6.1. Verwendete Verteilnetzmodelle 94 6.2. Abschätzung der Auswirkung von PV-Anlagenausbau 95 6.2.1. Unterschiede der Planungsverfahren zur Schätzung der PVA-Nennleistung 95 6.2.2. Einfluss der Blindleistungsregelung auf mögliche Anlagenleistung 100 6.3. Abschätzung von Netzauslastungen in Wohngebieten 106 6.3.1. Annahmen und Szenarien 107 6.3.2. Auswertung der Knotenspannungen 110 6.3.3. Auswertung der Betriebsmittelauslastungen 116 6.4. Zusammenfassung 118 7. Zusammenfassung und Ausblick 119 Literaturverzeichnis 121 Anhang 135 A. Statistische Merkmale 135 A.1. Empirische Wahrscheinlichkeitsfunktion 135 A.2. Kumulative empirische Verteilungsfunktion 136 A.3. Quantile 136 A.4. Interquartilsabstand 137 B. PLF-Methoden 138 B.1. Veröffentlichte PLF-Methoden 138 B.2. Test Gaußsche Verteilung 138 C. Definitionen 140 C.1. Symbole für Flussdiagramme 140 C.2. Zählpfeilsystem 140 D. Ergänzende Ergebnisse 142 E. Danksagung 143

The still increasing demand of electrical energy and the rising popularity of renewable energy sources in today's world are two important developments that necessitate the need for innovative solutions in the field of power electronics. Parallel operation of converters is one possible method in trying to bridge an increased current demand. The classical two-level converters, which are the standard in low voltage applications, are rarely adopted in medium and high voltage applications due to the voltage limits on power semiconductor devices. That is one reason for the growing popularity of multilevel converter topologies in medium and high-voltage applications. Although an increase in the number of voltage levels of a multilevel converter has its advantages, there are also challenges posed due to the increased number of switching devices. This has resulted in three-level converters being the most popular compared to converters of higher voltage levels. In this dissertation, the unified operation of parallel connected three-level converter units as a multilevel converter of higher voltage levels is proposed. The mathematical basis for operating parallel connected converter units as a single multilevel converter and the governing equations for such systems are derived. The analysis and the understanding of these equations are important for assessing practicality of the system and devising appropriate control structures. Parallel operation of converter units operating as multilevel converter have their own set of challenges, the two foremost being that of load-sharing and the possibility of circulating and cross currents. Developing solutions to address these challenges require a thorough understanding of how these manifest in the proposed system. Algorithms are then developed for tackling these issues. The control structures are designed and the developed algorithms are implemented. The operation of the system is verified experimentally. / Die weiterhin steigende Nachfrage nach elektrischer Energie und die zunehmende Verwendung erneuerbarer Energiequellen in der heutigen Welt sind zwei wichtige Entwicklungen, die die Notwendigkeit innovativer Lösungen im Bereich der Leistungselektronik erfordern. Der Parallelbetrieb von Stromrichtern ist eine mögliche Methode, um einen erhöhten Strombedarf zu decken. Der klassische Zweipunkt-Spanungszwischenkreisstromrichter, der bei Niederspannungsanwendungen weit verbreitet ist, wird aufgrund der Spannungsgrenzen für Leistungshalbleiterbauelemente zunehmend weniger in Mittel- und Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Die begrenzte Spannungsbelastbarkeit der Leistungshalbleiterbauelemente ist ein Grund für die wachsende Beliebtheit von Mehrpunkt-Stromrichtertopologien in Mittelund Hochspannungsanwendungen. Obwohl eine Erhöhung der Anzahl der Spannungsstufen eines Mehrpunkt-Stromrichters Vorteile hat, gibt es auch Herausforderungen und Nachteile aufgrund der erhöhten Anzahl von Leistungshalbleitern. Dies hat dazu geführt, dass der Dreipunkt-Stromrichter die verbreiteste Topologie im Vergleich zu anderen Stromrichtern mit einer höheren Anzahl von Spannungsstufen ist. In dieser Dissertation wird der Betrieb von parallel geschalteten Dreipunkt-Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter mit erhöhter Anzahl an Spannungsstufen vorgeschlagen. Die mathematische Basis für den Betrieb von parallel geschalteten Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter und die beschreibenden Gleichungen eines solchen Systems werden abgeleitet. Die Analyse und das Verständnis dieser Gleichungen sind wichtig für die Beurteilung der Praktikabilität des Systems und die Erarbeitung geeigneter Regelstrukturen. Der parallele Betrieb von Stromrichtereinheiten hat seine eigenen Herausforderungen, wobei die beiden wichtigsten die Lastverteilung und die Möglichkeit von Kreis- und Querströmen sind. Die Entwicklung von Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert ein gründliches Verständnis dafür, wie sich diese Phänomene in dem vorgeschlagenen System manifestieren. Algorithmen zur Lösung dieser Probleme werden anschlieend entwickelt. Die Regelstrukturen werden entworfen und die entworfenen Algorithmen implementiert. Die Funktionsweise des Systems wird experimentell überprüft.

A novel, non-volatile, organic capacitive memory device called p-i-n-metal-oxide-semiconductor (pinMOS) memory is demonstrated with multiple-bit storage that can be programmed and read out electrically and optically. The diode-based architecture simplifies the fabrication process, and makes further optimizations easy, and might even inspire new derived capacitive memory devices. Furthermore, this innovative pinMOS memory device features local charge up of an integrated capacitance rather than of an extra floating gate. Before the device can perform as desired, the leakage current due to the lateral charge up of the doped layers outside the active area needs to be suppressed. Therefore, in this thesis, lateral charging effects in organic light-emitting diodes (OLEDs) are studied first. By comparing the results from differently structured devices, the presence of centimeter-scale lateral current flows in the n-doped and p-doped layers is shown, which results in undesirable capacitance increases and thus extra leakage currents. Such lateral charging can be controlled via structuring the doped layers, leading to extremely low steady-state leakage currents in the OLED (here 10-7 mA/cm2 at -1 V). It is shown that these lateral currents can be utilized to extract the conductivity as well as the activation energy of each doped layer when modeled with an RC circuit model. Secondly, pinMOS memory devices that are based on the diode with structured doped layers are investigated. The memory behavior, which is demonstrated as capacitance switching for electrical signals, and light emission for optical signals, can be tuned either by the applied voltage or ultraviolet light illumination, respectively. The working mechanism is explained by the existence of quasi steady-states as well as the width variation of space charge zones. The pinMOS memory shows excellent repeatability, an endurance of more than 104 write-read-erase-read cycles, and currently already over 24 h retention time. Furthermore, an early-stage investigation on emulating synaptic plasticity reveals the potential of pinMOS memory for applications in neuromorphic computing. Overall, the results indicate that pinMOS memory in principle is promising for a variety of future applications in both electronic and photonic circuits. A detailed understanding of this new concept of memory device, for which this thesis lays an important foundation, is necessary to proceed with further enhancements.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of organic semiconductors 5 2.1 Electronic states of a molecule 5 2.1.1 Atomic orbitals and molecular orbitals 5 2.1.2 Solid states 9 2.1.3 Singlet and triplet states 12 2.2 Charge transport 13 2.2.1 Charge carrier mobility 13 2.2.2 Charge carrier transport 14 2.3 Charge injection 17 2.3.1 Current limitation 17 2.3.2 Charge injection mechanisms 20 2.4 Doping 22 3 Organic junctions and devices 25 3.1 Metal-semiconductor junction 25 3.1.1 Schottky junction 25 3.1.2 Surface states 27 3.2 Metal-oxide-semiconductor capacitor 29 3.3 Junctions and diodes 31 3.3.1 PN junction and diode 31 3.3.2 PIN junction and diode 32 4 Organic non-volatile memory devices 35 4.1 Basic concepts 35 4.2 Organic resistive memory devices 37 4.2.1 Device architecture and switching behavior 38 4.2.2 Working mechanisms 38 4.3 Organic transistor-based memory devices 41 4.3.1 Organic field-effect transistor and memory devices based thereon 41 4.3.2 Floating gate memory 43 4.3.3 Charge trapping memory 45 4.4 Organic ferroelectric memory devices 46 4.4.1 Ferroelectric capacitor memory 47 4.4.2 Ferroelectric transistor memory 48 4.4.3 Ferroelectric diode memory 49 5 Experimental methods 53 5.1 Device fabrication 53 5.2 Device characterization 55 5.3 Materials 57 6 Lateral current flow in semiconductor devices having crossbar electrodes 61 6.1 Introduction 61 6.2 Device architecture 62 6.3 Characteristics comparison between unstructured and structured devices 63 6.3.1 Charging measurement 63 6.3.2 Current-voltage characteristics 64 6.3.3 Capacitance-frequency characteristics 67 6.4 Influence of conductivity of doped layers 69 6.4.1 Dependence on doped layers thickness 69 6.4.2 Dependence on temperature 73 6.5 Lateral charging simulation 74 6.5.1 Analytical description 74 6.5.2 RC circuit simulation 76 6.5.3 Parameters for doped layers gained by simulation 79 6.6 Pseudo trap analysis 81 6.6.1 The pseudo trap density of states determination 81 6.6.2 The pseudo trap analysis under simulated identical conditions 84 6.7 Summary 85 7 The pinMOS memory: novel diode-capacitor memory with multiple-bit storage 87 7.1 Introduction 87 7.2 Device architecture 88 7.2.1 Dependence on layout and pixel 89 7.2.2 Fundamental memory behavior characterization 93 7.3 Working mechanism 96 7.3.1 Working mechanism of quasi-steady states 97 7.3.2 Working mechanism of dynamic states 101 7.4 Tunability of the memory effect 105 7.4.1 Operation parameters 106 7.4.2 Photoinduced tunability 108 7.4.3 Intrinsic layer thickness 110 7.5 Potential in neuromorphic computing application 111 7.5.1 Extracting capacitance at 0 V sequentially 112 7.5.2 Mimicking the long-term plasticity (LTP) behavior 113 7.6 Summary 114 8 Optoelectronic properties of pinMOS memory 117 8.1 Introduction 117 8.2 Measurement setup 117 8.3 pinMOS memory emission intensity 118 8.4 Pulse characteristics and device brightness 119 8.5 Conclusion 124 9 Conclusion 125 Bibliography 129 List of Figures 145 List of Tables 151 List of Abbreviations 153 Publications and Conference 157 Acknowledgment 159 / Es wird ein neuartiges, organisches kapazitives Speicherelement demonstriert, das p-i-n-Metalloxid-Halbleiter (pinMOS) Speicher genannt wird und eine Mehrfachbitspeicherung besitzt, die elektrisch und optisch programmiert und ausgelesen werden kann. Die auf einer Diode basierende Architektur vereinfacht den Herstellungsprozess sowie die weitere Optimierung und könnte sogar Inspiration für neue kapazitive Speichermedien sein. Darüber hinaus basiert dieses innovative pinMOS Speicherelement auf der lokalen Aufladung einer integrierten Kapazität und nicht auf einem zusätzlichem “Floating Gate”. Bevor das Speicherelement wie gewünscht funktioniert, muss der Leckstrom, der durch die laterale Aufladung der dotierten Schichten außerhalb des aktiven Bereichs verursacht wird, unterdrückt werden. Deshalb werden in dieser Arbeit zuerst die lateralen Aufladungseffekte in organischen Leuchtdioden (OLEDs) untersucht. Beim Vergleich verschiedener Device-Strukturen wird die Existenz von lateralen Stromflüssen im Zentimeterbereich in den n- und p-dotierten Schichten gezeigt, was zu einer unerwünschten erhöhten Kapazität und folglich einem höheren Leckstrom führt. Diese laterale Aufladung kann durch die Strukturierung der dotierten Schichten kontrolliert werden, was zu extrem geringen Gleichgewichtsleckströmen in den OLEDs (10-7 mA/cm2 bei -1 V) resultiert. Es wird auch gezeigt, dass die lateralen Ströme genutzt werden können um die spezifische Leitfähigkeit sowie die Aktivierungsenergie der einzelnen dotierten Schichten zu extrahieren, wenn diese mit einem RC-Modell modelliert werden. Im zweiten Teil werden pinMOS Speicherelemente, die auf der Diode mit strukturierten dotierten Schichten basieren, untersucht. Das Speicherverhalten, dass durch Kapazitätsschaltung für elektrische Signale und als Lichtemission für optische Signale gezeigt wird, kann entweder durch die angelegte Spannung, beziehungsweise durch die Belichtung mit ultraviolettem Licht eingestellt werden. Die Wirkungsweise wird durch die Existenz quasistatischer Gleichgewichte sowie durch die Größenänderung der Raumladungszonen erklärt. Der pinMOS Speicher zeigt eine hervorragende Wiederholbarkeit, eine Beständigkeit über mehr als 104 Schreiben-Lesen-Löschen-Lesen Zyklen und aktuell schon eine Retentionszeit von über 24 h. Weiterhin offenbaren erste Versuche in der Nachahmung von Neuronaler Plastizität das Potenzial von pinMOS Speichern für Anwendungen im “Neuromorphic Computing”. Insgesamt deuten die Ergebnisse an, dass pinMOS Speicher prinzipiell vielversprechend für eine Vielzahl von zukünftigen Anwendungen in elektronischen und photonischen Schaltkreisen ist. Ein tiefgreifendes Verständnis von diesem Konzept neuartiger Speicherelemente, für das diese Arbeit eine wichtige Grundlage bildet, ist notwendig, um weitere Verbesserungen zu entwickeln.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of organic semiconductors 5 2.1 Electronic states of a molecule 5 2.1.1 Atomic orbitals and molecular orbitals 5 2.1.2 Solid states 9 2.1.3 Singlet and triplet states 12 2.2 Charge transport 13 2.2.1 Charge carrier mobility 13 2.2.2 Charge carrier transport 14 2.3 Charge injection 17 2.3.1 Current limitation 17 2.3.2 Charge injection mechanisms 20 2.4 Doping 22 3 Organic junctions and devices 25 3.1 Metal-semiconductor junction 25 3.1.1 Schottky junction 25 3.1.2 Surface states 27 3.2 Metal-oxide-semiconductor capacitor 29 3.3 Junctions and diodes 31 3.3.1 PN junction and diode 31 3.3.2 PIN junction and diode 32 4 Organic non-volatile memory devices 35 4.1 Basic concepts 35 4.2 Organic resistive memory devices 37 4.2.1 Device architecture and switching behavior 38 4.2.2 Working mechanisms 38 4.3 Organic transistor-based memory devices 41 4.3.1 Organic field-effect transistor and memory devices based thereon 41 4.3.2 Floating gate memory 43 4.3.3 Charge trapping memory 45 4.4 Organic ferroelectric memory devices 46 4.4.1 Ferroelectric capacitor memory 47 4.4.2 Ferroelectric transistor memory 48 4.4.3 Ferroelectric diode memory 49 5 Experimental methods 53 5.1 Device fabrication 53 5.2 Device characterization 55 5.3 Materials 57 6 Lateral current flow in semiconductor devices having crossbar electrodes 61 6.1 Introduction 61 6.2 Device architecture 62 6.3 Characteristics comparison between unstructured and structured devices 63 6.3.1 Charging measurement 63 6.3.2 Current-voltage characteristics 64 6.3.3 Capacitance-frequency characteristics 67 6.4 Influence of conductivity of doped layers 69 6.4.1 Dependence on doped layers thickness 69 6.4.2 Dependence on temperature 73 6.5 Lateral charging simulation 74 6.5.1 Analytical description 74 6.5.2 RC circuit simulation 76 6.5.3 Parameters for doped layers gained by simulation 79 6.6 Pseudo trap analysis 81 6.6.1 The pseudo trap density of states determination 81 6.6.2 The pseudo trap analysis under simulated identical conditions 84 6.7 Summary 85 7 The pinMOS memory: novel diode-capacitor memory with multiple-bit storage 87 7.1 Introduction 87 7.2 Device architecture 88 7.2.1 Dependence on layout and pixel 89 7.2.2 Fundamental memory behavior characterization 93 7.3 Working mechanism 96 7.3.1 Working mechanism of quasi-steady states 97 7.3.2 Working mechanism of dynamic states 101 7.4 Tunability of the memory effect 105 7.4.1 Operation parameters 106 7.4.2 Photoinduced tunability 108 7.4.3 Intrinsic layer thickness 110 7.5 Potential in neuromorphic computing application 111 7.5.1 Extracting capacitance at 0 V sequentially 112 7.5.2 Mimicking the long-term plasticity (LTP) behavior 113 7.6 Summary 114 8 Optoelectronic properties of pinMOS memory 117 8.1 Introduction 117 8.2 Measurement setup 117 8.3 pinMOS memory emission intensity 118 8.4 Pulse characteristics and device brightness 119 8.5 Conclusion 124 9 Conclusion 125 Bibliography 129 List of Figures 145 List of Tables 151 List of Abbreviations 153 Publications and Conference 157 Acknowledgment 159

The calculation of frequency-dependent cable parameters is essential for simulations of transient phenomena in electrical power systems. The simulation of transients is more complicated than the calculation of currents and voltages in the nominal frequency range. The model has to represent the frequency dependency and the wave propagation behavior of cable lines. The introduced model combines an improved subconductor method for the determination of the frequency-dependent parameters and a PI section wave propagation model. The subconductor method considers the skin and proximity effect in all conductors for frequency ranges up to few megahertz. The subconductor method method yields accurate results. The wave propagation part of the cable model is based on a cascaded PI section model. A modal transformation technique has been used for the calculation in the time domain. The frequency-dependent elements of the related modal transformation matrices have been fitted with rational functions. The frequency dependence of cable parameters has been reproduced using a vector fitting algorithm and has been implemented into an resistor-inductor-capacitor network (RLC network) for each PI section. The proposed full model has been validated with measured data.