DG-EV-HIL Forschungsschwerpunkt zur wissenschaftlichen Begleitung der technischen Einbindung dezentraler erneuerbarer Energieträger und verteilter Energiespeichersysteme in aktive elektrische Verteilnetze mittels Power-Hardware-in-the-Loop Simulationen

In diesem Projekt wurde am AIT Austrian Institute of Technology ein Forschungsschwerpunkt zur wissenschaftlichen Begleitung der technischen Einbindung dezentraler erneuerbarer Energieträger (DG) und verteilter Energiespeichersysteme in aktive elektrische Verteilnetze mit Schwerpunkt auf PHIL Simulationen aufgebaut. Das Vorhaben war in zwei Teilprojekte gegliedert:

• Dem Investitionsprojekt SmartEST Laborinfrastruktur, das aus AIT Eigenmitteln finanziert wurde und
• Dem DG-EV-HIL Forschungsprojekt, das grundlegenden Methoden zur Einbindung von erneuerbaren Energiequellen zum Inhalt hat.

Durch das Forschungsvorhaben, bestehend aus dem Aufbau einer europaweit einzigartigen Forschungsinfrastruktur sowie der Entwicklung neuer wissenschaftlicher Methoden und Kompetenzen, entstand für die österreichische Industrie ein einzigartiger Forschungsknoten im Bereich Smart Grids. Darüber hinaus wurde mit diesen Forschungsaktivitäten ein Labor (SmartEST) im Spitzenfeld der europäischen Energieforschung geschaffen, da Smart Grids in Europa als hochprioritäres Forschungsthema angesehen wird (EU SET-Plan). Mit den entwickelten Kompetenzen, sowie der Laborinfrastruktur schaffte AIT ein Forschungsumfeld, das den Strukturwandel von einer zentralen Energieerzeugung hin zu dezentralen Systemen unterstützt.

Ausgangssituation

Das elektrische Energieversorgungssystem steht zunehmend vor der Aufgabe, einen kontinuierlich steigenden Bedarf an elektrischer Energie zu decken. Gleichzeitig existiert die Anforderung, die Erzeugung von elektrischer Energie vermehrt von der Emission von Treibhausgasen (insbesondere CO2) zu entkoppeln, was die massive Integration erneuerbarer Energieträger notwendig macht. Ein großer Anteil an erneuerbaren Energieträgern war schon vor Projektbeginn örtlich dezentral verfügbar bzw. wurde bereits intensiv an deren Ausbau gearbeitet. Dazu kam die bevorstehende Integration elektrisch betriebener Fahrzeuge (e-mobility) in die elektrischen Netze. Die Batterien dieser Fahrzeuge würden ebenfalls ein signifikantes Volumen an verteilten Energiespeichern darstellen. Allerdings wiesen sowohl das Produktionsverhalten von erneuerbaren Energieträgern, als auch das Verbrauchsverhalten von Elektrofahrzeugen zeitlich stochastisches Verhalten auf.

Vor dem Hintergrund liberalisierter Energiemärkte führten die oben genannten Entwicklungen zu grundlegend neuen Rahmenbedingungen und sich daraus ergebenden Aufgaben, hinsichtlich Betrieb, Regelung und Planung elektrischer Netze.

Die neu ins Netz zu integrierenden Komponenten (Wechselrichtersysteme, Smart Meters, Batterieladesysteme, Strombegrenzer, etc) sind aktiver Natur, können im Verteilnetz Regelungsaufgaben wahrnehmen und weisen hochgradig nichtlineares Verhalten auf. Zur Entwicklung dieser Komponenten bzw. zur Definition, Verifikation und Optimierung von Netzmanagementverfahren war es essentiell, die Wechselwirkung zwischen einer ausgewählten Systemkomponente und dem Netz zu untersuchen. Da das Verhalten dieser neuen Netzkomponenten unbekannt und mathematisch nicht ausreichend beschreibbar war, konnte diese Wechselwirkung mittels numerischer Netzwerksimulation nicht untersucht werden und experimentelle Verfahren mussten herangezogen werden. Für konventionelle Netze verwendete man dazu spezielle Transformatoren mit einer Kombination aus Vor- und Nachimpedanzen zur Netznachbildung.

Sollte jedoch das Verhalten aktiver Verteilnetze nachgebildet werden, konnte das Netzverhalten mit der bestehenden Laborinfrastruktur nicht nachgebildet werden. Es wurde  notwendig, numerische Echtzeitsimulation des aktiven Netzabschnittes zusammen mit der experimentellen Kopplung der simulierten Größen mit der zu untersuchenden Komponente über einen Netzsimulator, also eine P-HIL Anordnung durchzuführen.