/  1.1.2019  -  31.12.2021

F-HIL: Vermeidung von hochfrequenten Störungen in stromrichter-dominierten Netzen

Fast Hardware-in-the-Loop

Partner Sumida Components & Modules GmbH 
Förderung PTJ / BMWi
Laufzeit 01.01.2019 - 31.12.2021
Bearbeitende  Dr. Ron Brandl, Axel Seibel, Marco Jung, Fabian Schnabel, Jonas Steffen, Matthias Klee, Fan Wang, Friedrich Welck

 

Was ist Power Hardware-in-the-Loop

Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) ist eine Prüftechnologie welche ihren Einsatz zum Testen neuer Netzkomponenten gefunden hat.

Die Prüferweiterung PHIL gibt die Möglichkeit schon existierende Netzkomponenten in einer vordefinierten Simulation eines Energieversorgungssystems zu erproben, um einerseits das Verhalten des Energieversorgungsnetzes auf Prüfling (wie z.B. PV-Wechselrichter, Ladestation von E-Fahrzeugen, Teile von Windkraftanlagen, rotierende Motoren und Generatoren, …) zu übertragen und weiter die Beeinflussung des Prüflings und mögliche Systemdienstleistungen bezogen auf reale Netzverhältnis rückwirkend auf das Energieversorgungsnetz zu überprüfen. Diese bidirektionale Verbindung von Netzsimulationen und physikalischen Netzkomponenten erschließt ein neues Feld der Erforschung von einem Energieversorgungssystem und dessen Komponenten, was sonst nur mit erheblichem Aufwand von Laborversuchen und Feldversuchen erschlossen werden kann. Weitere Vorteile sind die Flexibilität, Steuerbarkeit und der realitätsnahe Bezug von PHIL-Systemen.

 

Notwendigkeit und Vorteile

Standardmäßige Prüfungen und Validierungen einzelner Netzkomponenten sind allein nicht mehr ausreichend um die hohen Anforderungen und die Funktionsumfänge neuer Komponenten validieren zu können. Eine Abdeckung komplexer, ganzheitlicher Netze mit dynamischen Eigenarten ist dienlich um Entwicklungsrisiken frühzeitig entgegenzuwirken, wodurch Kosten in der Entwicklung reduziert werden können. Um dies zu erreichen ist eine Kombination von Simulationen im Verbund mit Hardware-Experimenten unvermeidlich, denn nur so können Systeme auf ihre volle Komplexität validiert werden, da sowohl dynamische als auch transiente Netzsituationen realistisch abgedeckt werden.

Vorteile von

Beschreibung

Simulationen 

-          Nachbildung realer Abläufe in Simulationsmodellen, da häufig

  analytische Ansätze nicht genau genug beschrieben werden

  können

-          Aufbau unterschiedlicher Umgebungen unter realen aber auch

  extremen Bedingungen (Worst-Case)

-          Schnelle Systemmodifikation möglich

-          Große Ergebnisbandbreite durch relativ einfache

  Anpassungen, somit kostengünstige Ergebnisproduktion

-         Globale Betrachtungsweise und Ideen Verifizierung

Laborexperimente

-          Detaillierte Überprüfung einzelner Anlagen

-          Im Vergleich zu Feldversuchen können künstliche Bedingungen

  und Worst-Case-Szenarien herbeigeführt werden

-          Teilweise Verifizierung von Simulationsergebnissen

-          Funktionalitätsprüfungen und letzte Möglichkeit Risiken zu

  entdecken bzw. zu optimieren

PHIL-Experimente

-          Beinhaltet alle Vorteile reiner Simulationen

-          Beinhaltet alle Vorteile reiner Laborexperimente

-          Ersetzt teilweise den Erkenntnisgewinn von Feldversuchen

 

Das PHIL-Konzept vereint sowohl notwendige Simulationen für zukünftige Konzepte der Netzintegrationen als auch die experimentellen Prüfverfahren durch Zugabe von Leistungskomponenten.

 

Herausforderungen des Projekts

Die Interaktionen vieler stromrichterbasierten Anlagen in Verbindung mit einer sich ändernden Netzresonanzfrequenz und nichtlinearen Verbrauchern schränken durch die Einkopplung von Oberwellen heutzutage schon die Netzqualität im Energieversorgungsnetz und speziell geschlossenen Verteilnetzen bzw, Großanlagen ein [3 bis 5]. Diese harmonischen und zwischenharmonischen Frequenzanteile können die Resonanzfrequenz des Netzabschnittes anregen und so zu Instabilitäten führen, die zu einer Zerstörung von Netzbetriebsmitteln, Verbrauchern oder Erzeugern führen kann.

Hochfrequente Resonanzeffekte in elektrischen Netzen beruhen oft auf Rückwirkungen der Stromrichter untereinander sowie Netzbetriebsmitteln gekoppelt mit der Leitungsimpedanz.

In dem Projektvorhaben F-HIL hat sich die SUMIDA Components & Modules GmbH und das Fraunhofer IEE zum Ziel gemacht, ein Test- und Prüfsystem zu entwickeln, was die Untersuchung dynamischer Effekte von stromrichterbasierten Analgen ermöglicht.

Doch der Betrieb eines PHIL-Systems mit seinen transienten Informations- und teilweise hohen Leistungsflüssen, kann bei falscher Konzeptionierung zu Instabilitäten des Systems führen, wodurch Schäden an der Laborinfrastruktur entstehen können.

Ungenauigkeiten der Informationssignale, Zeitverzögerungen, Einflüsse bzw. Wechselwirkung der einzelnen Komponenten untereinander sind Hauptpunkte für die Entstehung von instabilen Systemoperationen.

 

Projektveröffentlichung

„Power Hardware-in-the-Loop Testbed for High Frequency Interdependency Issues of Inverter-Based Generation“, CIRED 2019, Madrid, Spanien
„Entwicklung einer PHIL-fähigen Echtzeit-Validierungsumgebung zur Stabilitätsuntersuchung von elektrischen Netzen, Dissertation, R. Brandl, Uni Kassel, 2017

 

Projektpartner:

SUMIDA Components GmbH

 

Assoziierte Partner:

SMA Solar Technology AG

KACO New Energy GmbH