Entwicklung verteilter Steuerungsstrategien für leistungselektronische Systeme zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen

Ein wichtiges Thema im Projekt Asimute sind zukünftige effiziente und kohlenstoffarme Energiesysteme. Bisherige fossile Energiequellen werden durch erneuerbare Quellen, vor allem Sonne und Wind, ersetzt, die ausschließlich durch Leistungselektronik umgesetzt werden. Auf der Verbraucherseite machen langsame konventionelle Geräte und bisherige eher ineffiziente Stromversorgungen mit großinduktiven Transformatoren oder mechanischen Elementen, wie netzgekoppelte Motoren, ebenfalls Platz für hocheffiziente leistungselektronische Schaltungen. Die Leistungselektronik ist jedoch aktiv mit Feedback geregelt, hat keine Trägheit und reagiert sofort. Konventionelle Leistungselektronik kann das Netz nicht stabilisieren, sondern erwartet eine nahezu perfekt sinusförmige Spannung mit stabiler und fester Amplitude und Frequenz. Die Spannung sollte außerdem nicht mit der Last schwanken. Bei einer solchen stabilen Spannung entnimmt oder speist die Leistungselektronik einen Strom ein, steuert aber nicht direkt die Spannung. Die Elemente, die für eine stabile Spannung sorgten, waren jedoch große, massive Generatoren aus fossilen Kraftwerken, die nun rückgebaut werden. Die Folge sind instabile Netze mit driftender Frequenz im gesamten Netz und lokal instabiler Spannung, die zu lokalen Stromausfällen führen und Geräte beschädigen kann. Letzteres wird insbesondere ländliche Regionen betreffen.

In diesem Projektbereich wollen wir Umrichter und entsprechende Regelungsmethoden entwickeln, die künftige Netze stabilisieren können, und zwar sowohl auf den höheren als auch auf den niedrigeren Netzebenen, die für die Versorgung von Haushalten und den meisten kleinen und mittelständischen Unternehmen wichtig sind.

Für die Koordination leistungselektronischer Systeme zur Erbringung von Netzdienstleistungen wie Frequenz- und Spannungsstabilisierung und Verzerrungsfilterung werden innovative verteilte Regelungsstrategien benötigt. In dieser Maßnahme werden die theoretischen Grundlagen für solche Regelungsstrategien entwickelt und in der Simulation und im Demonstrator getestet. Insbesondere werden Topologien für die informationelle Verknüpfung der leistungselektronischen Systeme entwickelt und hinsichtlich des Kommunikationsaufwands, der Zuverlässigkeit und der Cybersicherheit bewertet. Methoden zum Austausch von Informationen über die Systemdynamik, die heute üblicherweise für die Frequenzregelung eingesetzt werden, werden auch im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit für andere Systemdienstleistungen betrachtet. Ausgehend von den Topologien werden verteilte Regelungsalgorithmen und zugehörige Kommunikationsprotokolle erstellt und untersucht.

Insbesondere das Mittelspannungsverteilnetz und das lokale Niederspannungsnetz werden in mehrfacher Hinsicht beeinträchtigt (Verletzung der Spannungstoleranz durch leistungsstarke Solareinspeisung, Verlust von Kurzschlussleistung, erhöhte Netzimpedanzen, unerwünschte und unbekannte Leistungsflüsse durch zukünftige Hochleistungs-Ladegeräte). Während die Regelung der konventionellen Leistungselektronik unter diesen Bedingungen typischerweise instabil wird und die anderen genannten Probleme weiter verschärft, sind adaptive Regelungsmethoden (Netzimpedanzschätzung ohne Verletzung der IEC61000, adaptive Regleranpassung, und Dämpfung von parasitären Rückkopplungen mit anderer Elektronik im Netz) und kompakte modulare elektronische Schaltungstopologien (modulare Teilleistungswandler und Leistungsflussregler) entwickelt, die es einerseits ermöglichen, Einspeisung aus erneuerbaren Energien, Kfz-Ladegeräte u. ä. auch unter schwachen Netzbedingungen stabil zu betreiben, andererseits deren Netzdurchdringung zu erhöhen und die Probleme nach Möglichkeit sogar teilweise zu beseitigen.

Die genannten Netzdienstleistungen scheinen derzeit vor allem für eine kleinere Anzahl leistungsstärkerer dezentraler Einheiten wie große PV-Anlagen und vor allem Netzspeichersysteme relevant zu sein und konzentrieren sich insbesondere auf globale Netzprobleme (z. B. Frequenzstabilität). Durch die große Anzahl kleinerer Leistungselektronik, insbesondere in Haushalten und ländlichen Gebieten, können typische Probleme verbessert werden. In dieser Maßnahme wird eine netzimpedanzadaptive dynamische Spannungsstabilisierung für geeignete Phasenwinkel der Einspeisung und Spannungsfilterung auf Basis der Netzimpedanzabschätzung aus der vorgenannten Maßnahme entwickelt und in einer typischen Niederspannungsnetzumgebung getestet.