VerbundnetzStabil - Stabiles Verbundsystemverhalten bei umrichterbasierter Erzeugung

Das Projekt »Verbundnetz Stabil« befasst sich mit der Aufrechterhaltung eines stabilen Verbundsystemverhaltens bei hoher Durchdringung mit Umrichtern. Mit dem fortschreitenden Ausbau der erneuerbaren Energien und der Integration von elektrischen Speichern wandeln sich die technologischen Grundlagen der Netztechnik fundamental. Ziele des Vorhabens sind die Erarbeitung, Umsetzung und Erprobung neuer Ansätze für die Regelung von Umrichtern am Netz mit Blick auf die heutigen und zukünftigen Anforderungen an ein stabiles und robustes Verbundsystemverhalten.

Der Fokus liegt auf der Stromrichtertechnologie und im Besonderen auf der Entwicklung konkreter Regelungsalgorithmen für netzbildende Wechselrichter sowie deren Erprobung in Hinblick auf die stabilisierende Wirkung im Verbundnetz. Es ist das Ziel nachzuweisen, dass ein zuverlässiger Netzbetrieb mit einem sehr hohen Stromrichteranteil möglich ist.

Zu diesem Zweck werden zunächst die stabilitätsrelevanten Eigenschaften von verschiedenen Erzeugungstechnologien ausgehend vom Verhalten des Synchrongenerators und heute typischer stromeinspeisender Wechselrichter analysiert und auch detaillierte Simulationsmodelle erstellt. Kernziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger, netzbildender Regelverfahren. Deren Auswirkung auf ein stabiles Systemverhalten in einem umrichterbasierten Verbundsystem werden einerseits simulativ, andererseits mittels praxisnaher Tests analysiert, um daraus sinnvolle funktionale Vorgaben für netzstabilisierende Umrichter der nächsten Generation abzuleiten. Zu diesem Zweck werden die neu entwickelten regelungstechnischen Ansätze auf einer bestehenden Wechselrichterplattform implementiert.

Die Erprobung erfolgt anschließend an Hand eines aufzubauenden Modellnetzes im Megawattmaßstab sowie im realen Stromnetz. Auf Basis der Messergebnisse werden entsprechende Umrichtermodelle validiert, die wiederum die Grundlage für die Übertragung der Erkenntnisse auf das Verbundsystemverhalten mittels Simulationsrechnungen darstellen.

Es werden im Rahmen des Projekts die folgenden wissenschaftlichen bzw. technischen Ziele verfolgt:

Anforderungen an ein stabiles umrichterdominiertes Verbundsystem

Das beinhaltet die Formulierung der Anforderungen, die an Erzeuger und Verbraucher in umrichterdominierten Netzen gestellt werden müssen, um einen stabilen Verbundnetzbetrieb zu gewährleisten. Es soll dafür eine Art Lastenheft für das regelungstechnische Verhalten von Umrichtern am Netz erstellt werden.

Das Fraunhofer ISE verfolgt dabei das Ziel, die Stabilitätsaspekte von Erzeugern und Lasten unterschiedlicher Technologie herauszuarbeiten und Anforderungen an das Verhalten von Umrichtern abzuleiten.

Entwicklung netzbildender Umrichterregelstrategien

Es wird eine Umrichterregelung entwickelt, die – im Gegensatz zur heute verwendeten stromeinprägenden Regelung – ein spannungseinprägendes Verhalten besitzt und damit unmittelbar netzbildend wirkt. Ziel ist es, neue Algorithmen für netzbildende Wechselrichter zu entwickeln und im Rahmen von Tests zu erproben.

Modellierung und Simulation

Die geeignete dynamische Modellierung eines umrichterdominierten Verbundnetzes soll eine aussagekräftige Stabilitätsbetrachtung ermöglichen. Es werden detaillierte Erzeuger- und Lastmodelle erstellt, um zum Zweck der Verbundnetzsimulation daraus aggregierte Verteilnetzmodelle abzuleiten. Die erstellten Modelle werden an Hand der durchzuführenden Messungen validiert.

Test und Validierung

Ein wichtiges Ziel für das Vorhaben ist die Validierung der entwickelten und implementierten Regelstrategien und der aufgestellten Modelle. Dies erfolgt durch Anwendung und Analyse der neuen Regelstrategien in einem Microgrid im Labor und im realen Stromnetz. Erst durch die Validierung der Geräte und Netzmodelle unter realen Testbedingungen wird es möglich, auf Basis von Simulationen der übergeordneten Netzebenen, valide Aussagen für die Stabilität der Regelungsstruktur in der Anwendung im Europäischen Verbundnetz zu treffen.

Im sogenannten Multi-Megawattlabor in Freiburg wird ein Microgrid aufgebaut, mit dem verschiedene Verbundnetzsituationen (z.B. unterschiedlicher Anteil der Erzeugung aus Synchrongeneratoren, Störfälle, etc.) im Labor nachgebildet und erforscht werden. Ferner unterstützt das Fraunhofer ISE die Erprobung netzbildender Wechselrichter im realen Stromnetz, um die Übertragbarkeit der entwickelten Lösungen in die Realität zu demonstrieren.