REDeFiNE -- Reflex-basierte, verteilte Frequenzregelung für Stromnetze

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Antonello Monti; Professor Dr.-Ing. Klaus Wehrle, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432169785

In der ersten Phase des SPP wurden wichtige Fortschritte zur engen Verzahnung von Regelung und Kommunikation erzielt. Ein hoch-relevanter Anwendungsbereich, der zwar von der SPP-Initiative anvisiert, aber bisher in keinem Projekt untersucht wurde, ist die Regelung von Smart Grids. Diese unterliegen einem dramatischen Wandel, der sich in den nächsten Jahrzehnten noch verstärken wird, wenn weitere träge Großkraftwerke durch eine Vielzahl kleiner, dynamischer Erzeuger ersetzt werden. Da von einem stabilen Stromnetz quasi sämtliche andere Infrastruktur abhängt, ist die Aufrechterhaltung der bewährten Stabilität der Frequenzregelung von höchster Bedeutung.Diese wird derzeit hierarchisch realisiert, mit einer lokalen Primärregelung (unabhängig von anderen Generatoren) und einer zentralen Sekundärregelung. Dieser Ansatz benötigt jedoch große träge Massen (die nur in verbrennungsbasierten Großkraftwerken vorhanden sind) und skaliert nicht mit einer Vielzahl an Kleinstkraftwerken. Wir streben daher eine flache verteilte Frequenzregelung an, in der jeder Erzeuger Teil eines verteilten Kontrollproblems ist. Es stellt sich somit die Frage, wie die Netzfrequenz aus den lokalen Frequenzmessungen einzelner Generatoren abgeleitet werden kann. Hierbei hilft der kürzlich veröffentlichte Ansatz "Frequency Divider". Jedoch ist auch hiermit eine vollständige Verteilung aufgrund von Skalierbarkeitsproblemen und Übertragungsverzögerungen ohne adäquate Unterstützung durch das Kommunikationssystem nicht realisierbar.Wir streben daher eine integrierte Kommunikations- und Regelungslösung an, bei der Teile des Kontrollproblems im Kommunikationssystem gelöst werden und Informationen, die typischerweise nur im Kommunikationssystem vorliegen auch im Regelungsprozess genutzt werden können. In-Netzwerk-Verarbeitung kann hierbei helfen, Frequenzabschätzungen ins Kommunikationssystem auszulagern, wodurch Netzwerkgeräte die lokalen Informationen der Generatoren in eine Frequenzabschätzung aggregieren.Obwohl dies die Skalierbarkeit erhöhen kann, unterliegen die ermittelten Werte doch gewisser Ungenauigkeiten, zudem verursachen Übertragungsverzögerungen nun zeitliche Unsicherheiten. Die enge Verzahnung von Kommunikation und Regelung ermöglicht nun die Nutzung von Wissen, das normalerweise nur dem Kommunikationssystem zur Verfügung steht, wie z. B. Pufferfüllstände und Verbindungsqualitäten. Hiermit können Verzögerungen abgeschätzt und Unsicherheiten reduziert werden. Dieses Forschungsvorhaben soll in enger Kooperation mit dem Partnerprojekt aDaptioN in den USA durchgeführt werden, das orthogonale Optimierungsansätze zur Frequenz- und Spannungsregelung untersucht. Wir erwarten von diesem Forschungsvorhaben einen fundamental neuen Beitrag zu einer stabilen Frequenzregelung für das zukünftige Stromnetz zu leisten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1914: Cyber-Physical Networking (CPN)
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Anuradha Annaswamy; Professor Dave Bakken; Professor Adam Hahn; Professor Anurag K. Srivastava; Professor Yinghui Wu