Fokus Forschung: OSITec - Optimale Simulations-Technologie für zukünftige Energieverteilernetze

Dienstag 29. August 2017, 11:00

Ein Best-Practice Beispiel für Forschung und Transfer

Insgesamt 8 ZIM-Kooperationsprojekte mit Beteiligung der Hochschule Mittweida endeten im Jahr 2015. Derzeit erfolgt eine Evaluierung der abgeschlossenen Projekte durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, u.a. das Projekt OSITec von Prof. Lutz Rauchfuß. Von dem bis 2020 themenoffenen Programm „ZIM“ profitieren Unternehmen wie Hochschulen zugleich. Die Hochschule profitiert von Drittmitteln und der damit verbundenen Möglichkeit Mitarbeiter und studentische/wissenschaftliche Hilfskräfte in der Forschung zu beschäftigen. Das Unternehmen profitiert von wissenschaftlichen Ergebnissen und neuen Produkten und/oder Verfahren, die gemeinsam erforscht und entwickelt werden. Oftmals qualifizieren sich Mitarbeiter über diese Projekte für Tätigkeiten in den Unternehmen. Das Projekt OSITec hat genau diese Ziele erreicht: Forschung an der Professur für Antriebs- und Reglungstechnik (Prof. Lutz Rauchfuß), Qualifizierung von Studenten/wiss. Mitarbeitern in der Entwicklungsarbeit und ein Produkt, welches heute erfolgreich vermarktet wird.

Einführung

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 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 Lastfluss- und 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 Abb.1).

   

Beispiel 1: Simulation kurzzeitiger Spannungseinbrüche

 

Die Abbildung zeigt eine einfache Simulation des Anlaufverhaltens eines Asynchronmotors am starren Netz. Nach einer Simulationszeit von 1 Sekunde wird der Motor durch das Schließen eines Schalters ans Netz geschaltet. Die Diagramme stellen die Drehzahl des Motor ws und die Effektivwerte der Spannungen und Ströme am Motor und am Transformator dar. Die erforderliche Rechenzeit liegt auf einem üblichen PC unter einer Sekunde und somit unterhalb des simulierten Zeitraumes (hier: 3 Sekunden).

 Beispiel 2: Analyse der Netzgrößen während eines Tages

Das zweite Beispiel demonstriert die Simulation eines Netzgebietes mit Photovoltaik-Anlagen und einem Energiespeicher einschließlich seiner Ansteuerung über einen Tag. Dabei werden normierte Einspeise- und Lastprofile mit einer maximalen Auflösung von 4 Sekunden eingelesen und den einzelnen Anlagen zugewiesen. Die Ansteuerung berechnet unter Berücksichtigung des Speicherinhaltes einen Sollwert für die Leistungsaufnahme beziehungsweise -abgabe des Speichers, der im Netzwerk-Modell umgesetzt wird. Die Diagramme zeigen die Spannungen an ausgewählten Netzpunkten und den Leistungsumsatz sowie den Energieinhalt des Speichers. Die erforderliche Rechenzeit für einen Tag liegt unter 10 Minuten.

Weitere Informationen:
Professur Antriebs- und Regelungstechnik
Adapted Solutions GmbH

Autoren: Dr. Thomas Barucki, Prof. Lutz Rauchfuß, Matthias Baumgart