Systemstabilität und Netzintegration

Das deutsche wie auch das europäische elektrische Energiesystem befinden sich in einem tiefgreifenden Wandel: Mit dem stetig wachsenden Anteil leistungselektronisch gekoppelter Erzeuger, Speicher und Lasten in allen Netzebenen verändern sich das zugrunde liegende dynamische Systemverhalten und die Stabilitätsmechanismen. Während die Systemstabilität früher weitgehend durch die inhärenten physikalischen Eigenschaften der Synchronmaschinen in Kraftwerken gewährleistet wurde, muss sie künftig zunehmend von leistungselektronisch angebundenen Anlagen bereitgestellt werden. Die Sicherung der Systemstabilität wird damit – sowohl in der Planung als auch im operativen Netzbetrieb – zu einer komplexen Aufgabe.   

Wir unterstützen Netzbetreiber, Anlagenhersteller und Anlagenbetreiber bei der Bewertung und Analyse der Stabilität von Stromversorgungssystemen für die Netzplanung und den Netzbetrieb sowie  der Netzintegration von Anlagen. Dazu stehen uns verschiedene Simulationsplattformen (u.a. Powerfactory, PSCAD, PSS/E, Modellica, Julia/Powerdynamics, python, Matlab/Simulink), Rechenserver und Echtzeitsimulationssysteme zur Verfügung.

Unser Leistungsangebot umfasst Modellbildung, Methodenentwicklung und Netzstudien.

Analyse und Tools für stabile elektrische Energiesysteme

Modellbildung – Dynamische Netz- und Anlagenmodelle

Leistungsfähige, validierte Modelle bilden die Grundlage jeder fundierten Stabilitätsanalyse elektrischer Netze. Sie ermöglichen es, das dynamische Verhalten von Erzeugern, Lasten und Netzkomponenten realistisch abzubilden, kritische Betriebspunkte und Risiken frühzeitig zu erkennen und Maßnahmen zur Sicherung der Systemsicherheit zu bewerten.

Auf Basis dieser Modelle lassen sich Szenarien der Energiewende – etwa hohe Einspeisung aus erneuerbaren Energien, neue Großverbraucher oder Netzumbauten – zuverlässig simulieren und belastbar bewerten.

 

Methodenentwicklung

Methoden zur Stabilitätsbewertung sind entscheidend, um das Verhalten des Energiesystems bei Störungen – etwa Last- oder Erzeugungsschwankungen, Fehlern im Netz oder dem Ausfall von Komponenten – zuverlässig vorherzusagen und gezielt Gegenmaßnahmen zu planen. Unsere Methoden zeichnen sich durch hohe Aussagekraft, Reproduzierbarkeit und die Möglichkeit aus, kundenspezifische Netz- und Anlagensituationen realitätsnah abzubilden.

Methoden zur Bewertung der Systemstabilität für Netzplanung und Netzbetrieb

Mit zunehmender Komplexität der Energiesysteme wächst der Bedarf an zuverlässigen Methoden für die dynamische Stabilitätsbewertung (DSA). Wir entwickeln DAS-Werkzeuge und Methoden sowie Test- und Entwicklungsumgebungen für die Anwendung in Netzplanung und Netzbetrieb

Methoden zur Analyse von sub- und supersynchronen Schwingungen sowie der harmonischen Stabilität 

Die wachsende Zahl umrichterbasierter Einheiten erhöht das Risiko von sub- und supersynchronen Schwingungen und Schwingungen im harmonischen Frequenzbereich. Wir entwickeln Methoden zur Analyse, z. B. Resonance Stability Analysis Tool (RSAT),  und der Vermeidung von Resonanzphänomenen, Stromrichterinteraktionen und dem dynamischen Verhalten von Anlagen in Netzen.

Netzstudien

Wir führen Netzstudien zu verschiedenen Fragestellungen in Bezug auf Netzstabilität, Resilienz und Netzintegration durch. Wir verfügen über eine umfangeiche Sammlung von Testnetzen unterschiedlicher Komplexität. Ebenso arbeiten wir mit umfangreichen Netzen z.B. von Kunden mit vielen tausend Sammelschienen und Anlagen.

Mit unterschiedlichen Simulationsplattformen, Echtzeitlaboren, validierten Modellen und fortschrittlichen Analysemethoden bieten wir Lösungen für Netzstabilität, Netzintegration, Netzschutz, Modellierung, Systemanalysen und Betriebsstrategien.

Innovationen und Ergebnisse

Projekte, Patente und Veröffentlichungen

Logo Stability in converter-dominated grids
Development of Grid-Forming Inverter control System-Studies utilizing grid forming controls, focus on the German grid. Coordinator Fraunhofer IEE, collaboration with the four German TSOs. 2017-2022. National funding.
Logo System Stability 2030
System stability through market-based system services and minimum technical requirements for future electrical systems, focus on the German grid. Project coordinated by Amprion GmbH, in collaboration with all German TSOs. 2024-2026. National funding.
Logo Twin EU
Development of innovative tools and models to enable a reliable, resilient, and safe operation of the infrastructure while facilitating the deployment of renewable energy sources in Europe. 2024-2026. EU funding.
Logo InnoSys2030 – Innovation in System Control
“How to maximize grid usage by intelligent system control”, dynamic stability assessment methods and tools, focus on the German grid. Coordination by Tennet TSO, collaboration with all German TSOs. 2018-2021. National funding.
Logo Innovative DSA-Applications
“Innovative DSA-Applications for stability and inertia assessment in inverter dominated, electrical power systems”. Dynamic stability assessment methods and tools, Focus on der German grid. Coordination by Fraunhofer IEE, collaboration with German TSOs and manufacturers. 2023-2025. National funding.
Logo HyLeit
Modeling, HIL, development of optimized electrolysis inverters, interconnection technology, system protection concepts, efficiency, durability, grid services
Logo verteilnetz 2030+
Analysis and tools for grid protection and stability in inverter-dominated high and medium voltage grids
Logo GF Pilot
Proof of contributions of grid forming inverters to instantaneous reserve and network restoration. Stable operation of inverter-dominated distribution grids.
Online and offline dynamic stability assessment of inverter dominated power systems using explainable artificial intelligence and open source dynamic modeling and simulation environment in the Julian language. Simulation performance iimprovements using Julia’s SciML environment (Neural ODEs etc.). Coordinator Potsdamer Institut für Klimafolgen-forschung, 2025-2027. National funding.
Development and provision of an open-source, vendor-independent SCADA system for operators. Focus on the European grid. Research focus Fraunhofer IEE: DSA decision support. 2024-2027. EU funding.

  • M. Hanna, T. Pletzer, M. Mirz, S, Dalhues, N. Philippi, P. Gierl, Th. Degner, D. Strauß-Mincu, S. Eberlein, A. Alshawabkeh, S. Ruhe, A. Kummerow, C. Heising, “Enhancing Grid Stability in Low-Inertia, Converter-Dominated Systems: Modular Architecture and Dynamic Assessment Solutions”, ETG Congress 2025.
  • L. Pabón and D. Ramasubramanian, “Grid-Forming and Grid-Following inverters: a dynamic performance evaluation using RMS, EMT and small-signal analysis,” CIGRE Science & Engineering Journal 2025.
  • L. Pabón, "Voltage Stability Assessment and the Need for Multi-Time Scale Dynamic Simulation", IEEE PowerTech 2025.
  • S. Eberlein, C. Lopez, S. Küchler, H. Just, "Phasor Estimation and Power Measurement in the Context of Dynamic RMS Simulation Model Validation", submitted to IEEE PowerTech 2025.
  • L. D. Pabon Ospina, S. Eberlein, M. Franke, S. Lohr, A. Alshawabkeh, D. Strauß-Mincu, Th. Degner “Dynamische Bewertung der Netzsicherheit: Werkzeuge für die Systemführung von Übertragungsnetzen mit großen Anteilen Erneuerbarer Energie”, Zukünftige Stromnetze, 2024.
  • M. Franke, A. Guironnet, C. Cardozo, “Comparing IEC and WECC Generic Dynamic Models for Type 4 Wind Turbines”, PSCC 2024.
  • L. Pabon et al, “Grid-Forming and Grid-Following inverters: a fair dynamic performance evaluation using RMS, EMT and small-signal analysis”, IEEE Transactions on power systems, 2024.
  • Simon Eberlein, Martin Franke, "Effiziente Softwareentwicklung zur Automatisierung von Netzstudien", Tagung Zukünftige Stromnetze, Berlin, 2024.
  • Simon Eberlein, "Dynamische Stabilität von Stromnetzen mit geringer Schwungmasse", Erneuerbare Energien Magazin, Ausgabe 03-2024.
  • Simon Eberlein. "PowerDynamics.jl – Flexible and Performant Open Source Software for Power System Dynamics", IEEE International Meeting 2026, Hong Kong
  • Luis Pabon, Martin Braun, Sushobhan Chatterjee, Sijia Geng. "Assessment of Power System Stability Considering Multiple Time-Scale Dynamics: Insights into Saddle-Node and Hopf Bifurcations", PSCC 2026
  • D. Strauß-Mincu, T. Degner, C. Hachmann, H. Becker, D. Mende, M. Braun, T. Hennig. "Roadmap towards guaranteed system stability in inverted dominated future power systems", IEEE PES PEM Special issue on Stability analysis and control of power electronics dominated systems.
  • M. Hanna, T. Pletzer, M. Mirz, S, Dalhues, N. Philippi, P. Gierl, Th. Degner, D. Strauß-Mincu, S. Eberlein, A. Alshawabkeh, S. Ruhe, A. Kummerow, C. Heising, “Enhancing Grid Stability in Low-Inertia, Converter-Dominated Systems: Modular Architecture and Dynamic Assessment Solutions”, ETG Congress 2025.
  • L. Pabón and D. Ramasubramanian, “Grid-Forming and Grid-Following inverters: a dynamic performance evaluation using RMS, EMT and small-signal analysis,” CIGRE Science & Engineering Journal 2025.
  • L. Pabón, "Voltage Stability Assessment and the Need for Multi-Time Scale Dynamic Simulation", IEEE PowerTech 2025.
  • KM Boroujeni, F Safargholi, K Malekian. "A harmonic model validation methodology for power generation units based on voltage-current phasor characteristic", International Journal of Electrical Power & Energy Systems 165, 110494.
  • S. Eberlein, C. Lopez, S. Küchler, H. Just, "Phasor Estimation and Power Measurement in the Context of Dynamic RMS Simulation Model Validation", submitted to IEEE PowerTech 2025.
  • T. Degner, N. Campos, T. Reimann, D. Strauß-Mincu, F. Safargholi, B. Fischer, N. Schulz, B. O. Winter, M. Gand, B. Engel. "Challenges in Operating Distribution Networks with Grid-Forming Inverters", Wind & Solar Integration Workshop 2025.
  • Nathalia Campos, Diana Strauβ-Mincu, Thomas Degner. "Inertia Provision in Distribution Networks: Assessing Low-Frequency Oscillation Risks Among Grid-Forming Converters", Wind & Solar Integration Workshop 2025
  • L. D. Pabon Ospina, S. Eberlein, M. Franke, S. Lohr, A. Alshawabkeh, D. Strauß-Mincu, Th. Degner “Dynamische Bewertung der Netzsicherheit: Werkzeuge für die Systemführung von Übertragungsnetzen mit großen Anteilen Erneuerbarer Energie”, Zukünftige Stromnetze, 2024.
  • M. Franke, A. Guironnet, C. Cardozo, “Comparing IEC and WECC Generic Dynamic Models for Type 4 Wind Turbines”, PSCC 2024.
  • L. Pabon et al, “Grid-Forming and Grid-Following inverters: a fair dynamic performance evaluation using RMS, EMT and small-signal analysis”, IEEE Transactions on power systems, 2024.
  • Simon Eberlein, Martin Franke, "Effiziente Softwareentwicklung zur Automatisierung von Netzstudien", Tagung Zukünftige Stromnetze, Berlin, 2024.
  • Simon Eberlein, "Dynamische Stabilität von Stromnetzen mit geringer Schwungmasse", Erneuerbare Energien Magazin, Ausgabe 03-2024.

Patent Title

DE 10 2019 214 682 B4

WO 2021/058413 A1

US  11,955,792 B2

Verfahren zum Schutz wenigstens eines Teiles eines Netzsegments eines elektrischen Energieverteilungsnetzes:
Sichere Erkennung elektrische Fehler in einem Netzsegment und selektive Trennung der betroffenen Segmente vom Netz, um die Versorgungssicherheit und den Anlagenschutz zu erhöhen.

EP 4 189 797 B1

US 12,394,983 B2

Electrical Power System:
In einem  Notbetriebsmodus werden die Spannungen im Übertragungs- und Verteilnetz in definierten sicheren Bereichen gehalten, um die Stabilität und den sicheren Betrieb des elektrischen Leistungssystems zu gewährleisten.
DE10 2017 215 821 A1 Verfahren und System für einen Systemwiederaufbau eines Onshore-Netze:
Verfahren und System für einen Wiederaufbau eines Onshore-Netzes, bei dem ein Offshore-Windpark über eine Offshore-Konverterstation und eine Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) mit einer Onshore-Konverterstation und einem Onshore-Netz verbunden ist.