Verbundprojekt "Software-basierte Netzsteuerung in Echtzeit"

Die starke Einbindung dezentraler erneuerbarer Energiequellen und die gleichzeitig zunehmende Nutzung von Elektrizität für Heizung und Verkehr führen in einigen Teilen der Verteilnetze und Microgrids zu Engpässen. Zudem bedrohen die starken Schwankungen der erneuerbaren Energien in Verbindung mit fehlenden oder trägen Invertern die Gesamtstabilität des landesweiten Netzes. Die herkömmlichen Methoden der Netzverstärkung und Erhöhung von rotierenden Reserven sind sehr kostspielig und benötigen überdies treibstoffbetriebene Generatoren.

Ziel war die Entwicklung einer Methode zur Echtzeit-Steuerung des Stromflusses in einem Netz (d. h. mit Reaktionszeiten unter einer Sekunde), um auf die Schwankungen schnell wechselnder Quellen wie Photovoltaikmodule reagieren zu können. Die Methode soll die Nutzung lokaler Ressourcen wie thermische Lasten (Wärmepumpen), Ladestationen für Elektroautos, Photovoltaikmodulen und Speichereinheiten optimieren, gleichzeitig alle Sicherheitsvorgaben erfüllen (Spannungen, Strombelastbarkeit der Leitungen, Transformatorleistungen) und zur Frequenzstabilisierung des Hauptnetzes beitragen. Die Methode soll leicht implementierbar und einfach zu unterhalten sein.

• Es wurde eine modulare Methode zur Echtzeit-Steuerung des Stromflusses mittels Software-Agenten entwickelt. Die Methode wurde evaluiert, patentiert und in einem funktionierenden Netz-Prototyp im realen Massstab umgesetzt. Sie integriert heterogene elektrische Ressourcen im Verteilnetz wie Photovoltaikmodule, Batterien, Brennstoffzellen, Wärmepumpen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Dabei wird gleichzeitig das Hauptnetz unterstützt und die Versorgungsqualität gewährleistet.
• Es wurde eine Methode entwickelt und nachgewiesen, mit der sich der Energieverbrauch eines Gebäudes und verbundener Geräte so verwalten lässt, dass gleichzeitig in einem breiten Spektrum verschiedener Zeitskalen Energiespeicherungsleistungen ermöglicht werden. Es wurde eine Studie veröffentlicht, in der Varianten eines optimalen Designs für den Schweizer Gebäudepark, mit denen sich der Nutzen für das Netz maximieren lässt, empfohlen werden.
• Mit Multiport Energy Gateway (MEG) wurde eine neuartige dezentrale Energiespeicherlösung entwickelt, welche die Verteilung von Speicherelementen für elektrische Energie über mehrere kleinere Einheiten ermöglicht. Vorteile dieses Systems im Vergleich zu umfangreichen Massenspeicherlösungen sind ein einfacher Unterhalt und grössere Flexibilität, bei gleichzeitig einfacherer Rezyklierung, Aufrüstung und Anpassung.

Bedeutung für die Forschung

Die Methode ist neuartig, da bestehende Verfahren, die auf Software-Agenten beruhen, nicht in Echtzeit arbeiten. Für die Entwicklung mussten Herausforderungen bei der Netzmodellierung und technische Hürden bewältigt werden. Dazu gehörten eine schnelle Lösung für die Zustandsbeurteilung und für inverse Probleme, die Echtzeit-Erkennung des Speicherzustands, die ultra-kurzfristige Lastprognose und der PV-Produktion, die Aggregation und Abstimmung heterogener Ressourcen und die dynamische Auswahl verfügbarer Ressourcen. Die Ergebnisse zeigen, wie sich alle Ressourcen geräteunabhängig im Hinblick auf folgende Aspekte integrieren lassen:

• Servicequalität in Verteilnetzen und Microgrids ohne Netzverstärkung
• Integration von Ladestationen mit PV und beschränktem Netzzugang
• Einbindung von Niederspannungsnetzen für eine höhere Stabilität im mittleren Spannungsbereich
• Frequenzstabilisierung durch lokale Verteilnetze
• Dispatchable Feeder
• Inselbildung / Inselauflösung
• Schwarzstart
• Integration einer Echtzeit-Nachfragereaktion

Bedeutung für die Praxis

Für die Praxis ist zusätzlich zu den oben genannten Forschungsimplikationen die Unterstützung von Verteilnetzen und Microgrids für eine höhere Frequenz- und Spannungsstabilität im landesweiten Netz relevant.

Integration of Intermittent Widespread Energy Sources in Distribution Networks

Zu diesem Verbund gehören folgende zwei Forschungsprojekte

Integration of Intermittent Widespread Energy Sources in Distribution Networks: Scalable and Reliable Real Time Control of Power Flows

• Prof. Jean-Yves Le Boudec, Laboratoire pour les communications informatiques et leurs applications, EPF Lausanne; Dr. Alexandre Oudalov, Prof. Joseph Sifakis, Prof. Mario Paolone

Integration of Intermittent Widespread Energy Sources in Distribution Networks: Storage and Demand Response

• Dr. Colin Jones, Laboratoire d'automatique 3, EPF Lausanne; Prof. François Marechal, Prof. Drazen Dujic