Optimale Nutzung Regenerativer Energien in Niederspannungsverteilnetzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Becker; Professor Dr.-Ing. Andreas Timm-Giel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426655646

Die Durchdringung von NS-Verteilnetzen (NSVN) mit dezentralen regenerativen Energieanlagen (DEA) führt zu Herausforderungen für den Netzbetrieb. Lastflüsse in NSVN werden nicht mehr vorhersagbar sein, und ein überwachter und gesteuerter Netzbetrieb wird nötig werden. Viele DEA sowie neue Arten elektrischer Lasten erhöhen das Risiko kritischer Lastflüsse, ein Ausbau der Netze ist jedoch kostspielig und ineffizient. Neue Steuerungsfunktionen für verteilte Erzeuger und Verbraucher sind somit notwendig, um die DEA-Erzeugung zu maximieren, ohne dass es zu Grenzwertverletzungen im Netz kommt. Dazu wird der Ansatz einer nutzenbasierten Optimierung vorgeschlagen, ein Konzept, das für Kommunikationsnetze bereits üblich ist, und auf das Problem der Bestimmung optimaler Erzeugung verteilter DEA und optimalen Verbrauchs steuerbarer Lasten in NSVN angewendet. Optimalität ist hier ein maximaler Nutzen, den Erzeuger und Verbraucher erfahren. Das Verfahren berücksichtigt zunächst keine Beschränkungen von Spannungen und Strömen. Kritische Situationen werden aber von einem korrektiven Lastflussberechnungsmodul ermittelt, das sodann über Sensitivitäten korrigierende Leistungen für Erzeuger und Verbraucher vorgibt. Zunächst wird eine Lösung des stationären Problems zentral implementiert, d.h. Leistungsgrenzen sowie die Nutzenfunktionen von Erzeugern und Verbrauchern bleiben während der Optimierung konstant. Dies demonstriert die Anwendbarkeit des Konzeptes. Das finale Ziel ist ein verteilter Optimierungsalgorithmus mit sich ändernden Eingangsdaten. Dieser soll mit einer hohen Aktualisierungsrate ausgeführt werden und berechnet in jedem Zeitschritt kleine inkrementelle Leistungsänderungen in Richtung des Optimums. Zur Erfassung des Netzzustandes wird eine State Estimation für NSVN implementiert. Die hohe Aktualisierungsrate ermöglicht eine linearisierte Systemmodellierung. Die resultierenden Einflüsse auf Konvergenz und Stabilität der Optimierung sind zentrale Fragen. Die verteilte Realisierung ist typisch für Kommunikationsnetze und verspricht eine Erhöhung von Robustheit und Skalierbarkeit, während die Anforderungen an die Rechenleistung einzelner Instanzen limitiert bleiben. Dies ist entscheidend für einen verlässlichen und ökonomisch effizienten Betrieb eines sich dynamisch ändernden NSVN. Zugleich erfordert der verteilte Ansatz aber einen sehr hohen Informationsaustausch zwischen den Teilnehmern, wodurch das Kommunikationsnetz stark belastet wird. Die Leistungsfähigkeit der Kommunikation hat daher einen starken Einfluss auf die der verteilten Optimierung im NSVN. Für die Bewertung der Anwendbarkeit des verteilten Optimierungsalgorithmus sowie zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit des nutzenbasierten Ansatzes insgesamt werden auch die Kommunikationsnetze modelliert. Dieses Modell beinhaltet hauptsächlich Verteilungsfunktionen der Verzögerungen und verwendet Signalflussgraphen, stochastische Netzwerkberechnungen sowie Warteschlangentheorie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen