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Optimale Nutzung Regenerativer Energien in Niederspannungsverteilnetzen

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
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wird ein verteiltes Echtzeit-Steuerungsverfahren für Dezentrale Energieressourcen (DER) in Niederspannungsnetzen, zu denen Photovoltaik Anlagen (PV), Batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) und Wärmepumpen gehören, entwickelt. Optimalität wird hier im Sinne eines maximalen Nutzens von Energieverbrauch und -erzeugung verstanden. Der Nutzen wird durch statische konkave Nutzenfunktionen mit individuellen dynamischen Prioritätsfaktoren quantifiziert, was eine faire und an die individuellen Anforderungen der DER angepasste Energieverteilung sichert. Die Maximierung des Nutzens unter Berücksichtigung von Spannungsund Stromgrenzwerten stellt ein Lastflussoptimierungsproblem (Optimal Power Flow, OPF) dar. Zur Lösung des OPF wird ein Online Feedback Optimization (OFO) Verfahren verwendet, welches iterativ die Sollwerte für die DER anpasst. Der OFO-Ansatz zeichnet sich durch einen niedrigen Rechenaufwand und eine geringe Modellabhängigkeit aus. Die Optimierung wird durch eine State Estimation (SE) vervollständigt, welche den Netzzustand anhand von Messwerten abschätzt. In der verteilten Implementierung wird die SE von jedem Regler in jedem Zyklus berechnet, weshalb ein effizienter SE-Algorithmus entwickelt wird, der keine hohen Hardwareanforderungen stellt. Während die verteilte Implementierung einen einzigen Ausfallpunkt vermeidet, erfordert sie einen intensiven Datenaustausch zwischen Reglern. Daher ist die Berücksichtigung von realistischen Kommunikationsnetzen in der Umsetzung des Regelverfahrens essentiell. Hierfür wird ein neuartiges und dediziertes Kommunikationsprotokoll für den periodischen und niedriglatenten Austausch von Messwerten zwischen Reglern entwickelt. Das Kommunikationsprotokoll wird außerdem hinsichtlich der maximalen Informationsgüte optimiert. Dabei wird die Konnektivität zwischen allen Controllern durch Multihop-Kommunikation sichergestellt. Die Evaluierung des Echtzeit-Steuerungsverfahren erfolgt in einer Co-Simulationsumgebung, die eine Stromnetz- und Kommunikationsnetzemulation umfasst. Die Ergebnisse zeigen, dass das Verfahren in der Lage ist, das Niederspannungsnetz unter Einhaltung zulässiger Spannungs- und Stromgrenzwerte in einen optimalen Versorgungszustand zu steuern und sich dabei selbständig an eine schwankende Einspeisung aus erneuerbaren Energieanlagen anzupassen. Weiterhin zeigen die Simulationen, dass eine stabile Netzsteuerung auch unter moderaten Störeinflüssen und Controllerausfällen sichergestellt ist. Abschließend wird die Ausführung des Regelverfahrens auf kostengünstigen Plattformen wie einem Raspberry Pi demonstriert.

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