Modellierung des dynamischen Verhaltens von elektrischen Anlagen
© Fraunhofer ISE
Modellierung des dynamischen Verhaltens von elektrischen Anlagen.

Dynamische Netzsimulation und Anlagenmodellierung gemäß Netzanschlussrichtlinien

Modellierung des dynamischen Verhaltens von elektrischen Anlagen

Das Fraunhofer ISE besitzt langjährige Erfahrungen in der simulativen Untersuchung des Verhaltens von Wechselrichtern, Anlagen und Netzabschnitten. Dabei werden, neben der Simulation der Spannungs- und Frequenzstabilität im Normalbetrieb, auch Fehlerfälle im Netz betrachtet. Simulationen können quasi-stationär oder transient im RMS- und im Momentanwertbereich durchgeführt werden.

Wir erstellen Modelle nach der Technischen Richtlinie 4 (TR4) der FGW, die auch den neuen Anschlussrichtlinien VDE-AR-N 4110, 4120 und 4130 genügen. Die TR4 beschreibt die Anforderungen an die Modellierung und Validierung von Simulationsmodellen der elektrischen Eigenschaften von Erzeugungseinheiten und –anlagen.

 

Unsere FuE-Aktivitäten und Leistungen zum Thema »Modellierung des dynamischen Verhaltens von elektrischen Anlagen« umfassen:

Neue netzstabilisierende Lösungen im Zusammenhang mit dem geplanten Aufbau neuer dezentraler Erzeuger

Modell für die Steuerung von Wirk- und Blindleistung
© Fraunhofer ISE
Am Fraunhofer ISE entwickeltes Modell für die Steuerung von Wirk- und Blindleistung zwischen der Windkraftanlage und dem Übertragungsnetz.

Beim vermehrten Ausbau erneuerbarer Energien und der damit verbundenen wachsenden Anzahl dezentraler Erzeugungseinheiten, steht zunehmend die Frage nach der Stabilität von Verbundnetzen im Fokus.

Dezentrale Erzeugungsanlagen (DEA) besitzen unterschiedliche Regelungssysteme verschiedener Hersteller und zeigen i.d.R. kein einheitliches Verhalten während und nach Netzfehlern. Am Fraunhofer ISE können wir mit vielfältigen Analysen und Modellierungen dabei unterstützen, die Auswirkungen des massiven Ausbaus von DEAs auf bestimmte Netzabschnitte zu bewerten. Als ein Beispiel ist eine Stabilitätsstudie zu nennen, die das Fraunhofer ISE für die Integration eines Windparks durchgeführt hat. Der Controller des Windpark-Modells wurde dabei am Fraunhofer ISE entwickelt, um den Austausch von Wirk- und Blindleistung zwischen der Windkraftanlage und dem Übertragungsnetz zu steuern.

Der gesamte Windpark muss ausreichend Robustheit aufweisen, sodass kurzzeitige Netzfehler die Versorgungssicherheit nicht gefährden. Die Tests gelten als bestanden, wenn die verschiedenen Simulationen störungsfrei durchlaufen werden, keine Schwingung auftritt und die Wirk- und Blindleistung nach Fehlerklärung wieder ihren Vorfehlerwert annehmen.

Darüber hinaus entwickeln wir Verfahren für die Modellierung und Simulation von Anlagen für die Kopplung Erneuerbarer Energien oder Speichern weiter. Dabei werden sowohl zukünftige Verhaltensweisen dieser Anlagen, wie etwa netzbildende Regelungsverfahren berücksichtigt, aber auch neue Simulationsverfahren wie „Software in the Loop“ (SiL) und „Hardware in the Loop“ (HiL) werden betrachtet. Ferner entwickeln wir neue Verfahren zur Simulation von Oberschwingung und deren Ausbreitung im Netz und erarbeiten neue Verfahren zur Stabilitätsanalyse, wie etwa die impedanzbasierte Stabilitätsbewertung. Hierbei kommt unseren Expertinnen und Experten ihr Detailwissen über den Aufbau und das Verhalten von leistungselektronischen Geräten zugute.

Erstellung von Parkreglermodellen

© Fraunhofer ISE
Testumgebung eines Parkreglers in DIgSILENT PowerFactory.

Der Controller eines Wind- oder PV-Parks wird zur Steuerung des Wirkleistungs- und Blindleistungsaustauschs zwischen der Anlage und dem öffentlichen Stromnetz am Netzanschlusspunkt verwendet. Basierend auf den aktuellen Spannungs- und Strommessungen am Anschlusspunkt sendet er daher Wirkleistungs- und Blindleistungssollwerte an die Anlagensteuerungssysteme.

Für den Netzanschluss dieser Parks müssen Reglerhersteller Simulationsmodelle erstellen, die das elektrische Verhalten ihrer Geräte emulieren. Am Fraunhofer ISE entwickeln wir diese Modelle und unterstützen beim Durchlaufen des Zertifizierungsprozesses. Die Bewertung des Betriebs- und Regelverhaltens des Parkreglers basiert auf den folgenden Grundlagen:

  • VDE-AR-N 4110
  • VDE-AR-N 4120
  • VDE-AR-N 4130
  • Technische Richtlinien für Erzeugungseinheiten und –anlagen (Teil 8, Teil 3, und Teil 4)

Erstellung von Simulationsmodellen für Verbrennungskraftmaschinen (VKM)

© Fraunhofer ISE
Entwickeltes Modell eines Erregersystems von einem Synchrongenerator.

Gemäß nationalen und internationalen Netzanschlussbedingungen müssen Modelle für Blockheizkraftwerke, die an das Mittel-, Hoch- oder Höchstspannungsnetz angeschlossen werden, zur Zertifizierung einen mehrstufigen Prozess durchlaufen. In Deutschland werden im ersten Schritt Typprüfungen nach FGW TR3 durchgeführt, bei dem die elektrischen Eigenschaften eines BHKWs geprüft werden. Im zweiten Schritt folgt die Erstellung eines Modells, das das dynamische Verhalten nachbildet. Den dritten Schritt bildet die Modellvalidierung, bei der ein Vergleich des Modellverhaltens mit den Messdaten durchgeführt wird.

Hersteller von BHKWs können bei der Entwicklung eines solchen Modells beim Fraunhofer ISE Unterstützung finden. Dabei kommen uns unsere Simulationsexpertise, unsere langjährige Erfahrung mit den Anforderungen aus Netzanschlussrichtlinien sowie unsere tiefgreifenden Kenntnisse des Systems Generator-Netz zugute. Um den Zertifizierungsprozess zu vereinfachen und zu beschleunigen, führen wir mit unseren Modellen Plausibilitätstests sowie eine interne Vorvalidierung durch und können auch bei der Kommunikation mit der Zertifizierungsstelle unterstützen.

Erstellung von Simulationsmodellen für PV- und Speicherwechselrichter

Regelungsstruktur eines TR4-Modells für einen PV-Wechselrichter.
© Fraunhofer ISE
Regelungsstruktur eines TR4-Modells für einen PV-Wechselrichter.

Am Fraunhofer ISE verfügen wir über langjährige Erfahrung in der Erstellung, Plausibilisierung und Validierung von Modellen von PV-Wechselrichtern und Batterieumrichtern, wie sie z.B. für die Zertifizierung nach den FGW-Richtlinien benötigt werden. Durch unsere Modellierungsexpertise und unsere leistungselektronische Kompetenz können wir für unsere Kunden sehr schnell und kosteneffektiv entsprechende Modelle entwickeln und begleiten den kompletten Zertifizierungsprozess.

Das Ziel der Modellierung ist die Interaktion zwischen Wechselrichter und dem Stromnetz. Dabei sollen die vermessenen elektrischen Eigenschaften eines Wechselrichters in einem Simulationsmodell ausreichend genau abgebildet werden. Der Funktionstest gemäß TR4 schreibt einerseits die Analyse des dynamischen Verhaltens für Netzfehler (FRT) bei symmetrischen und asymmetrischen Fehlern vor. Ferner werden die Wirkleistungsregelung bei Änderung der Netzfrequenz, die Wirkleistungsbegrenzung, die Blindleistungsbereitstellung sowie das Verhalten des Netzschutzes simuliert und zusätzlichen Plausibilitätstests anhand des Modells geprüft.

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

Forschungsprojekt

VerbundnetzStabil

Stabiles Verbundsystemverhalten bei umrichterbasierter Erzeugung

Akkreditiertes Lab

TestLab Power Electronics

Forschungsprojekt

Q-Integral

Aktives Blindleistungsmanagement mit dynamischen Blindleistungsquellen an der Schnittstelle Verteilungsnetz und Übertragungsnetz

Forschungsprojekt

Star-StroP

Stabile regenerative Stromversorgung optimiert für den Parallelbetrieb von Wechselrichtern