Forschungsprojekt F-Hil

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.

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.

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