Generalisierte Synchronisation auf komplexen Netzwerken und dynamische Stabilität in künftigen Stromnetzen.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch die Energiewende durchläuft das Stromnetz eine grundlegende Transformation. Große Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, werden durch dezentrale erneuerbare Energien ersetzt. Diese sind auf eine grundsätzlich andere Weise mit dem Netz verbunden. Für die dynamische Stabilität des Netzes, die bislang auf der Dynamik von großen Kraftwerken beruhte, stellt dies eine zentrale Herausforderung dar. Die Untersuchung der dynamischen Stabilität künftiger Netze aus einer systemischen Perspektives steht dabei vor dem Problem, dass angemessene mathematische Modelle für zukünftige Systemkomponenten (noch) nicht existierten. Das zentrale Resultat dieses Forschungsprojekts besteht darin, ein vereinheitlichtes Modell für die Dynamik aktueller und zukünftiger dynamischer Akteure im Netz zu etablieren und zu validieren. Um solch ein Model zu entwickeln, wurden die Gelichungen direkt auf der Physik des Energieflusses und den Designanforderungen zukünftiger Akteure aufgebaut. Durch die Analyse einer neu identifizierten Symmetrie im System, die Designanforderungen und Physik miteinander verbindet, entwickeln wir eine universelle mathematische Beschreibung für Netzakteure, die sogenannte Normalform. Diese ist allgemein genug um reale Systeme beschreiben aber auch für theoretische Analysen von Stabilitätsgrenzen geeignet. Wir zeigen, dass diese Formulierung es ermöglicht, allgemeine Eigenschaften von netzbildenden Akteuren zu identifizieren, die die Gesamtstabilität der Systeme verbessern. In der zweiten Phase des Projekts wurden verschiedene Aspekte von Stromnetzen identifiziert, die deren Resilienz beeinträchtigen oder fördern können. Dabei wurde ein neuartiger Mechanismus der existierende Fluktuationen verstärken kann entdeckt und mathematisch beschrieben. Des weiteren wurde eine Methode zur Identifizierung von Leitungen, die für die Widerstandsfähigkeit des Systems bei extremen Ereignissen entscheidend sind, entwickelt. Am Beispiel verherrender Hurricanes in Texas wurde gezeigt das der Schutz einiger weniger Leitungen die Widerstandsfähigkeit des Gesamtsystems deutlich verbessern kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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An Open Source Software Stack for Tuning the Dynamical Behavior of Complex Power Systems. 2022 Open Source Modelling and Simulation of Energy Systems (OSMSES), 1-6. IEEE.
Buttner, Anna; Wurfel, Hans; Plietzsch, Anton; Lindner, Michael & Hellmann, Frank
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Linear response theory for renewable fluctuations in power grids with transmission losses. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 32(11).
Plietzsch, Anton; Auer, Sabine; Kurths, Jürgen & Hellmann, Frank
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PowerDynamics.jl—An experimentally validated open-source package for the dynamical analysis of power grids. SoftwareX, 17, 100861.
Plietzsch, Anton; Kogler, Raphael; Auer, Sabine; Merino, Julia; Gil-de-Muro, Asier; Liße, Jan; Vogel, Christina & Hellmann, Frank
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“Normal form for grid-forming power grid actors”. In: PRX Energy 1.1 (2022), p. 013008
Raphael Kogler; Anton Plietzsch; Paul Schultz & Frank Hellmann
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A framework for synthetic power system dynamics. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 33(8).
Büttner, Anna; Plietzsch, Anton; Anvari, Mehrnaz & Hellmann, Frank
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“Exploring the stable parameter regions of the normal form for grid forming inverters using numerical simulations”. MA thesis. Berlin: Technische Universität Berlin, 2023
Marvyn Bornemann
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“Protecting the Texas power grid from tropical cyclones: Increasing resilience by protecting critical lines”. In: Accepted Nature Energy (2023).
Julian Stürmer; Anton Plietzsch; Thomas Vogt; Frank Hellmann; Jürgen Kurths; Christian Otto; Katja Frieler & Mehrnaz Anvari
