Resiliente Stromnetze für die Energiewende

Durch die Zunahme von Extremwetterereignissen als Folge des Klimawandels sowie durch die Gefahren von Cyberangriffen und physischer Sabotage ist ein resilientes Stromnetz unerlässlich. Die Resilienz des Stromnetzes beschreibt, inwieweit die Stromversorgung vor, während und nach einer Störung aufrechterhalten werden kann. Um das Stromnetz bei Großstörungen aufrechtzuerhalten, untersuchen wir im Forschungsprojekt »Resist« den Einsatz netzbildender Wechselrichter im Verteilnetz, um der Reduktion der Systemträgheit entgegenzuwirken und mit lokalen Mittelspannungs-Netzinseln zu arbeiten.

Ausgangslage

Die fortschreitende Transformation des Energiesystems hin zu erneuerbaren, dezentralen und digital vernetzten Strukturen führt zu einer deutlich höheren Komplexität und Konnektivität. Damit wächst die Verwundbarkeit gegenüber Ausfällen, Störungen und deren Kaskadeneffekten – hervorgerufen etwa durch technisches Versagen, gezielte Cyberattacken oder zunehmend häufige Wetterextreme. Parallel dazu sinkt die Trägheit im Energiesystem, weil konventionelle Kraftwerke mit ihren systemrelevanten rotierenden Massen zurückgebaut und durch leistungselektronisch gekoppelte Einspeiser ersetzt werden. Diese Kombination aus geringerer Trägheit und höherer Komplexität macht die Beherrschbarkeit des Energiesystems zu einer zentralen technischen Herausforderung.

Ziel

Im Forschungsprojekt »RESIST« wurde untersucht, wie die Resilienz der Stromversorgung in Deutschland unter den Bedingungen der Energiewende gesteigert werden kann. Fünf Fraunhofer-Institute entwickelten dazu einen Werkzeugkasten, der die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes gegenüber technischen Störungen, Extremwetterereignissen und Cyberangriffen messbar macht, in Echtzeit überwacht und für Planung und Betrieb nutzbar macht. Zentrale Ziele waren die Entwicklung...

• eines Resilienz-Monitors zur Echtzeitanalyse,
• eines strategischen Planungstools für eine resilient-by-design ausgelegte Netzinfrastruktur,
• von Modellen zur Bewertung von Stromausfällen und Netzstabilität,
• eines Resilienz-Dashboards für virtuelle Kraftwerke,
• neuer Ansätze zur cyber-resilienten Netzführung,
• von Demonstratoren eines echtzeitfähigen Hardware-in-the-Loop Mittelspannungs-Netzmodells und
• eines netzbildenden Batteriewechselrichters zum Testen einer notstromfähigen Versorgungsinsel.

In Rahmen von »RESIST« hat das Fraunhofer ISE die Rolle netzbildender Wechselrichter im Verteilnetz untersucht. Diese können dazu beitragen, die Resilienz des Stromnetzes zu erhöhen, der Reduktion der Systemträgheit entgegenzuwirken, einem potenziellen Ausfall bei Großstörungen vorzubeugen und die Bildung von lokalen Netzinseln zu ermöglichen.

Lösungsansatz

Mit dem Hauptfokus auf den Störfall „Naturkatastrophe“ wurde ein Mittelspannungsnetz modelliert. Innerhalb dieses Netzes sorgt ein netzbildender Wechselrichter zusammen mit einem Großbatteriespeicher für die Inselnetzfähigkeit dieses Netzgebietes. Das Netzmodell ist auf Basis des CIGRE Benchmark Netzes in der europäischen Konfiguration erstellt, welches so angepasst wurde, dass das Netzgebiet durch umrichterbasierte Erzeugung dominiert wird. Der netzbildende Wechselrichter basiert auf dem im Projekt NETfficient entwickelten 1 MVA Batteriewechselrichter, welcher mit einer netzbildenden Regelung ausgestattet wurde.

Um den dynamischen Einfluss von Erzeugern und Lasten in der Niederspannungsebene nicht vollständig zu vernachlässigen, wurde ein komplexitätsreduziertes aggregiertes Niederspannungsnetz an das Mittelspannungsnetz angeschlossen. Das zugehörige detaillierte Niederspannungsnetz basiert ebenfalls auf den CIGRE Benchmark Netzen. Die Aggregation erfolgt anhand des Sensitivity-Technology-Control-Clustered Approach. Dadurch ist die adäquate Reproduktion des dynamischen Verhaltens des Niederspannungsnetzes gewährleistet, während gleichzeitig Rechenleistung gespart wird. 

Während einer Netzsimulation werden Messdaten an den vom Fraunhofer EMI entwickelten Resilienz-Monitor in Echtzeit gesendet. Daher findet die Netzmodellierung in der echtzeitfähigen Hardware-in-the-Loop (HIL) Simulationsumgebung des Digital Grid Lab statt. Durch die Berechnung verschiedener Störfälle können die resilienten Eigenschaften der Wechselrichterregelung analysiert und validiert werden. Zudem bestimmt der Resilienz-Monitor die Auswirkungen auf die Resilienz des Gesamtsystems. Besonderer Fokus liegt dabei auf einer stabilen Inselnetzbildung des Mittelspannungsnetzes, welche durch den resilienten Wechselrichter ermöglicht wird.

Ein weiterer Teilaspekt des Projekts liegt darin, die Kommunikation und Steuerung des netzbildenden Wechselrichters möglichst einfach, robust und standardkonform zu gestalten. Die Schnittstelle zur Übertragung von Messwerten und Alerts sowie Stellbefehlen wird daher das IEC 61850 MMS-Protokoll verwenden und sich stark an den Funktionen der FNN-Steuerbox orientieren.

Während einer Netzsimulation werden Messdaten an den vom Fraunhofer EMI entwickelten Resilienz-Monitor in Echtzeit gesendet. Daher findet die Netzmodellierung in der echtzeitfähigen Hardware-in-the-Loop (HIL) Simulationsumgebung des Digital Grid Lab statt. Durch die Berechnung verschiedener Störfälle können die resilienten Eigenschaften der Wechselrichterregelung analysiert und validiert werden. Zudem bestimmt der Resilienz-Monitor die Auswirkungen auf die Resilienz des Gesamtsystems. Besonderer Fokus liegt dabei auf einer stabilen Inselnetzbildung des Mittelspannungsnetzes, welche durch den resilienten Wechselrichter ermöglicht wird.

Ein weiterer Teilaspekt des Projekts liegt darin, die Kommunikation und Steuerung des netzbildenden Wechselrichters möglichst einfach, robust und standardkonform zu gestalten. Die Schnittstelle zur Übertragung von Messwerten und Alerts sowie Stellbefehlen wird daher das IEC 61850 MMS-Protokoll verwenden und sich stark an den Funktionen der FNN-Steuerbox orientieren.

Ergebnisse

Entwicklung eines Netzbildenden Wechselrichters

Bisher beruht die Netzstabilität auf Synchrongeneratoren, die durch die Trägheit ihrer rotierenden Masse das Netz stabilisieren. Zukünftig muss diese Aufgabe immer mehr von umrichterbasierten Einheiten übernommen werden. Im Rahmen des RESIST-Projekts ist daher ein Batteriewechselrichter als sogenannter „Resilienz-Wechselrichter“ weiterentwickelt worden, welcher netzbildende Eigenschaften bereitstellt. Dieser wurde erfolgreich in ein Netzmodell implementiert.

Echtzeitfähiges Verteilnetzmodell in Hardware-in-the-Loop Umgebung

Das echtzeitfähige Modell eines Verteilnetzes beinhaltet eine detaillierte Abbildung der Mittelspannungsebene, eine aggregierte Modellierung der Niederspannungsebene, eine Anbindung eines benachbarten Mittelspannungsnetzes über ein Hochspannungsnetz und erneuerbare Energieerzeugung in der Mittel- und Niederspannungsebene. Kern des Netzmodells ist ein netzbildender Batteriewechselrichter, der das Mittelspannungsnetz als Inselnetz betreiben kann.

Interoperable Kommunikationsschnittstelle

Eine hybride MQTT/IEC 61850 Schnittstelle mit Schedule-basierten Steuerbefehlen wurde in mehreren Szenarien erprobt. Insbesondere die Anbindung eines Verteilnetzmodells in einer Hardware-in-the-Loop Simulationsumgebung an den Resilienz-Monitor über die Kommunikationsschnittstelle ermöglicht das Senden von Messwerten und das Empfangen von Steuerbefehlen, wie bspw. das Laden einer Batterie über den netzbildenden Wechselrichter.

Die Abbildung zeigt beispielhaft ein Szenario, bei dem die erneuerbare Erzeugung aufgrund ungünstiger Wetterlagen zusammenbricht. Dies reduziert die Inselfähigkeit (KPI 3) aufgrund des hohen Leistungsbedarfs des Mittel- und Niederspannungsnetzes zusammen mit einer geringen prognostizierten Erzeugung. Der Leistungsbedarf müsste somit im Falle einer Netztrennung nahezu komplett durch den netzbildenden Batteriewechselrichter bereitgestellt werden, wodurch dieser an seiner Leistungsgrenze betrieben werden würde. Ebenso ist die mögliche Inseldauer stark reduziert, da ohne zusätzliche erneuerbare Erzeugung die Batterie schneller entladen wird. Letzteres bildet sich im Resilienz-Monitor durch einen niedrigen KPI 4 ab.

Das Projekt »RESIST« wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.