Netzsystemsimulation für Energieversorgungssysteme der Zukunft

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Im Projekt OSITec entstand ein neuartiger kombinierter Ansatz.

Die Veränderungen in der Energieversorgung haben Auswirkungen auf die Anforderungen, die an Software- Produkte zur Netzberechnung gestellt werden. Bei der Simulation künftiger Energieversorgungssysteme werden die in allen Netzebenen aktiven Regelungen ebenso zu berücksichtigen sein, wie die zeitlichen Verläufe der Lasten und Einspeisungen sowie die Energieinhalte von Speicherkomponenten. Insbesondere der letztgenannte Aspekt führt zur Notwendigkeit von Berechnungen über größere Zeiträume. Gleichzeitig müssen kurzzeitige transiente Vorgänge ausreichend genau dargestellt werden, ohne dass die erforderlichen Rechenzeiten übermäßig groß werden. Im Rahmen eines vom „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM)“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Kooperationsprojektes wurde von der Adapted Solutions GmbH und der Hochschule Mittweida ein neuartiger Simulationsansatzes entwickelt und in der Netzberechnungssoftware CERBERUS implementiert.

Konventionelle Netzberechnungen

Traditionell wird in der Netzberechnung zwischen Algorithmen zur Berechnung stationärer Systemzustände und Verfahren für die Simulation dynamischer Vorgänge unterschieden. Standard-Analysen wie Lastflussund Kurzschlussberechnungen ermitteln die Werte der Spannungen und Ströme, indem das Gleichungssystem des betrachteten Systems einmalig in den Frequenzbereich transformiert und unter Nutzung der komplexen Rechnung (Zeigerdarstellung) gelöst wird. Im Ergebnis stehen die Effektiv- beziehungsweise Spitzenwerten der sinusförmigen Größen zur Verfügung. Somit können auch große Systeme in sehr kurzer Zeit analysiert werden. Eine Bedingung für die Transformation in den Frequenzbereich ist die Annahme eines eingeschwungenen Systemzustandes mit konstanten Werten der Frequenz und aller weiteren Systemgrößen. Eine Simulation dynamischer Vorgänge ist mit diesem Verfahren somit nicht möglich.

Das Pendant zur Berechnung im Frequenzbereich ist die (üblicherweise numerische) Lösung des Differentialgleichungssystems, das sich aus den Gleichungen der Systemkomponenten ergibt. Damit werden die Verläufe der Systemgrößen als Funktion der Zeit (in der Regel sinusförmig, unter Umständen mit Offset behaftet) berechnet. Entsprechend der Dynamik der untersuchten Vorgänge ist dabei eine oftmals große zeitliche Auflösung der Rechenschritte erforderlich, wobei die Periodendauer der 50-Hz-Schwingungen eine obere Grenze der Schrittweite von wenigen Millisekunden setzt. Eine Berechnung längerer Zeiträume wie etwa eines Tageslastganges wäre dadurch mit sehr vielen Rechenschritten und entsprechenden Auswirkungen auf Rechenzeit und Größe der anfallenden Datenmengen verbunden. Um größere Zeitbereiche effizient berechnen zu können, behilft man sich häufig mit dem wiederholten Aufruf einer Lastflussberechnung im Frequenzbereich. Die damit verbundene Vernachlässigung transienter Vorgänge setzt diesem Ansatz jedoch gewisse Grenzen.

Das Projekt „OSITec“

Im Rahmen des Projektes „OSITec“ („Optimale Simulatortechnologie für zukünftige Energieverteilernetze (Smart Grid)“) haben die Hochschule Mittweida und Adapted Solutions an einem mathematischen Ansatz gearbeitet, mit dem eine genaue Berechnung transienter Vorgänge ebenso möglich ist, wie eine Aufhebung der Schrittweitenbegrenzung durch die Periodendauer von 20 ms. In „OSITec“ wurde ein Algorithmus entwickelt, bei dem durch eine spezielle Darstellung der Systemgleichungen eine Kombination aus der Berechnung im Frequenzbereich und der Lösung der Differentialgleichung realisiert wird. Die klassischen Ansätze der Netzberechnung ergeben sich als Sonderfälle des allgemeinen Ansatzes. Befindet sich das betrachtete System in einem eingeschwungenen stationären Zustand, so kann mit Schrittweiten weit oberhalb der 20-ms-Grenze gearbeitet werden, während bei transienten Vorgängen ein Rechnen mit sehr kleinen Schrittweiten erfolgt. Somit ist eine optimale Kombination von hoher Genauigkeit und geringen Rechenzeiten möglich.

Neben der Entwicklung des mathematischen Algorithmus bestand ein weiteres Projektziel in der Bereitstellung einer Möglichkeit, zeitliche Verläufe sowie Steuerungen und Regelschleifen in der Netzberechnung abzubilden. Hierfür wurden Module der Software „Portunus” von Adapted Solutions angepasst und in die Netzwerkberechnungen integriert. „Portunus” ist eine Software, mit der unter anderem elektrische Antriebe mit Frequenzumrichtern simuliert werden können. Dabei besteht immer die Notwendigkeit, neben der Hardware auch die Ansteuerung in der Simulation abzubilden. Die mit „Portunus” gewonnenen Erfahrungen konnten in den Arbeiten an „OSITec“ eingebracht werden.

Anhand der Projektergebnisse wurde die Netzberechnungssoftware CERBERUS – ebenfalls ein Produkt von Adapted Solutions – bezüglichen des numerischen Kerns und der Modellbasis erweitert. Zur Analyse der Ergebnisse wurden für CERBERUS zudem spezielle Anzeige-Elemente entwickelt, die eine komfortable Auswertung ermöglichen sollen. So kann zum Beispiel bei der Anzeige der elektrischen Größen zwischen der Darstellung der Effektiv- beziehungsweise Spitzenwerten und der Augenblickswerte über der Zeit gewählt werden. So konnten neue Anwendungsmöglichkeiten für CERBERUS geschaffen werden (siehe Kasten).

Untersuchungen zukünftiger Netzstrukturen

Die neu geschaffene Software wurde in einer Masterarbeit an der Hochschule Mittweida dazu verwendet, mögliche Auswirkungen der Energiewende auf die Netzstabilität zu prognostizieren (Marcel Macher: „Ein Ausblick für die Energieversorgung in Deutschland von heute bis ins Jahr 2050, dargestellt anhand von Simulationen”). Insbesondere sollte dabei die Reduktion der effektiven Massenträgheitsmomente durch den Wegfall konventioneller Kraftwerke untersucht werden. Die in den rotierenden Massen der Turbinen und Generatoren gespeicherte Energie bildet eine Momentan-Reserve, mit der kleinere Differenzen zwischen Leistungsangebot und Leistungsnachfrage kurzzeitig ausgeglichen werden können. Mit einem verringerten Anteil konventioneller Kraftwerke kann ein Rückgang der Momentan- Reserve einhergehen, dessen Einfluss insbesondere auf die Netzfrequenz betrachtet werden sollte.

Vor diesem Hintergrund wurden für die Zeit bis 2050 Szenarien zur Entwicklung des Energie-Mix aus konventionellen und regenerativen Quellen erstellt und ein komprimiertes Netzmodell aufgebaut. Dieses Modell enthält einen „Ersatz-Generator“ für konventionelle Kraftwerke und weitere Komponenten, die die Einspeisung durch Windkraft, Photovoltaik, Biomasse und Wasserkraft repräsentieren. Des Weiteren wurden im Modell eine Ersatzlast für den Tageslastgang, eine weitere Last zur Simulation eines Lastabwurfes und ein Speichermodell verwendet. Das Modell der Regelkreise enthält die Regelungen der Generatordrehzahl- und Generatorspannung sowie der Leistungsbilanz des Speichers. Die Simulationen wurden jeweils für einen Tag durchgeführt, wobei die Rechenschrittweite in den Grenzen zwischen 0.01 und 2 Sekunden eingestellt war. Die erforderliche Rechenzeit für ein Szenario lag bei ca. einer Minute. Als ein Ergebnis der Arbeit wurde eingeschätzt, dass unter Nutzung vorhandener Möglichkeiten (z. B. schnelle Primärregelung, frequenzabhängige Leistungsregelung von PV-Anlagen, Nutzung der Trägheitsmomente von Windkraftanlagen) der Wegfall eines Teils der Momentan-Reserve in Form rotierender Massen nicht zwangsläufig zu signifikanten Problemen bei der Stabilität der Netzfrequenz führt.

Fazit

Der für die Netzberechnungssoftware CERBERUS entwickelte mathematische Algorithmus für die Simulation dynamischer Vorgänge bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Prädiktion der Netzgrößen bei unterschiedlichen Fragestellungen. Damit wurde ein Werkzeug geschaffen, mit dem die Auswirkungen der Veränderungen im Energieversorgungsnetz abgeschätzt und mögliche Ansätze zur Vermeidung von Problemen in der Versorgungsqualität analysiert werden können. Seit Ende 2016 stehen die beschriebenen Funktionen dem Anwender von CERBERUS zur Verfügung.

 

Kontakt: Adapted Solutions GmbH, Thomas Barucki, 09119 Chemnitz,T: +49 371 8365 3040, barucki@adapted-solutions.com

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