Adaptive skalenübergreifende Modellierung transienter Effekte zur effizienten Simulation von großflächigen AC/DC Stromnetzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kai Strunz
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410829522

Die Theorie der Frequenz-adaptiven Simulation von Transienten (FAST) bietet eine methodische Basis zur skalenübergreifenden Simulation von Drehstromnetzen. Die Methodik stützt sich auf die Addition eines orthogonalen Imaginärteils zur real vorhandenen AC-Schwingung, wodurch die aus dem resultierenden analytischen Signal hervorgehenden Fourierkomponenten im Frequenzbereich nunmehr verschoben werden können. Ohne Verschiebung repräsentiert der Realteil des analytischen Signals die vorhandene Schwingung. Durch die Verschiebung des Spektrums des analytischen Signals in Richtung niedrigere Frequenzbereiche um einen der Trägerfrequenz entsprechenden Betrag von 50 Hertz wird der Trägerfrequenzanteil eliminiert. Die Einhüllenden der Schwingung kann so rechnerisch effizient mit größeren Zeitschrittweiten verfolgt werden. Energieversorgungssysteme der Zukunft hingegen werden neben den herkömmlichen AC-Komponenten durch einen zunehmenden DC-Signalanteil definiert. Hybride AC/DC-Energieversorgungssysteme mit integrierter AC- und HVDC-Technologie inklusive der Umrichter erfahren reges Interesse, insbesondere auch in China und Europa. Im Vergleich mit reinen Drehstromsystemen sind der Betrieb, die Regelung und der Schutz solch hybrider Systeme wesentlich komplexer. Ziel dieses Projekts ist die erhebliche Erweiterung von Theorie und Erfahrungsbasis der skalenübergreifenden Simulation hybrider AC/DC-Energieversorgungssysteme. Die genaue und gleichzeitig effiziente Simulation verschiedener AC/DC-Transienten über große Zeitskalen hinweg ermöglicht die tiefergehende Analyse solcher Systeme und ermöglicht Echtzeitanwendungen, die sich mit der operativen und betrieblichen Stabilität von AC/DC-Energieversorgungssystemen befassen. Die Entwicklung skalenübergreifender Modelle von Komponenten mit stark nichtlinearer Charakteristik, wie etwa moderne Umrichtersysteme oder Transformatoren in Sättigung, erlaubt die vollständige Modellierung komplexer, großflächiger AC/DC-Netze durch auf der FAST-Theorie basierender Methoden. Mit dem Ziel, die Möglichkeiten hochauflösender Parallelrechner für die FAST-Simulationsmethodik zu erschließen, wird die Entwicklung eines leistungsfähigen integrierten Simulationsverfahren mitsamt zugehöriger technischer Plattform untersucht und in Hinblick auf die beschleunigte Simulation skalierbarer Systeme und der schnellen und genauen Nachbildung von AC/DC-Netzen entwickelt. Diese Plattform nutzt weiterhin die Möglichkeiten des Cloud Computing. Die resultierende Fähigkeit stellt ein neuartiges Paradigma der internationalen wissenschaftlichen Zusammenarbeit hinsichtlich Simulationen dar. Das Konzept wird zunächst im Rahmen der Zusammenarbeit der Europäischen und Chinesischen Projektpartner erprobt. Im Anschluss wird dieser Rahmen erweitert, um Beiträge zur internationalen Zusammenarbeit im Energiesektor zwischen industriellen und akademischen Institutionen in beiden Ländern durch die Fähigkeit hochskalierbarer und effizienter Analyse zu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ying Chen, Ph.D.; Professor Liangzhong Yao, Ph.D.