Schnelle Simulation elektrischer Systeme durch lineare implizite Equilibrium Dynamics

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Antonello Monti; Dr. Dirk Zimmer
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571199796

Die Stromversorgungssysteme durchlaufen sowohl auf der Erzeugungs- als auch auf der Lastseite einen grundlegenden Wandel. Der gemeinsame Nenner dieses Prozesses ist die erhebliche Zunahme von Schnittstellen, die auf leistungselektronischen Wandlern basieren. Infolgedessen wird die gesamte Infrastruktur zu einem programmierbaren elektronischen System, während sie früher ein elektromechanisches System war. Dieser Umwandlungsprozess bedeutet, dass wir uns auf ein komplexeres System zubewegen, in dem Modellierung und Simulation sowohl für die Planung als auch für den Betrieb eine noch wichtigere Rolle spielen werden. Viele Szenarien müssen im Vorfeld berechnet um eine optimale Lösung zu finden und einen sicheren Betrieb auch unter kritischen Bedingungen zu gewährleisten. Obwohl viele ausgereifte Simulationswerkzeuge zur Verfügung stehen, gibt es noch drei große Hürden, die die schnelle Simulation großer Stromnetze auch heute noch erschweren: 1) Die algebraische Formulierung für die Energieverteilung über viele Komponenten führt zu großen nichtlinearen Gleichungssystemen, deren Lösung entweder schwer zu bestimmen oder sogar mehrdeutig ist. 2) Die direkte Formulierung der Dynamik führt zu einer schnellen Dynamik und beeinträchtigt die Leistung klassischer Löser für gewöhnliche Differentialgleichungen (ODE) drastisch. 3) Während große nichtlineare Systeme bereits bei der Simulation große Probleme bereiten, stellen sie bei der Initialisierung oft ein noch größeres Problem dar, da kein vorheriger Zustandswert verfügbar ist. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, diese Hürden durch einen grundlegend überarbeiteten Modellierungsansatz zu beseitigen. Das Ergebnis wird erreicht, indem ein innovativer Modellierungsansatz, der sich bei der Lösung ähnlicher Probleme in der dynamischen Thermofluid- und Mehrkörpersimulation bewährt hat, auf das Energiesystem übertragen wird. Dieser Modellierungsansatz wird Linear Implicit Equilibrium Dynamics (LIED) genannt und verwendet eine geteilte Schnittstelle innerhalb seiner Komponenten, die eine Trennung zwischen einem expliziten nichtlinearen Teil und einem impliziten linearen Teil ermöglicht. Dadurch wird das Beste von beidem kombiniert: Das lineare Gleichungssystem garantiert eine robuste Lösung unter allen Bedingungen, ist aber dennoch leistungsfähig genug, um unerwünschtes Hochfrequenzverhalten zu unterdrücken. Andererseits kann der nichtlineare Teil immer noch ausgedrückt werden, ist aber garantiert in expliziter Form verfügbar. FESTLIED wird die grundlegende Theorie entwickeln, die den Einsatz des LIED-Ansatzes im Bereich der elektrischen Energie ermöglicht, während gleichzeitig prototypische Bibliotheken entwickelt werden, die zum Testen und zur Verifizierung des neuen Ansatzes dienen. Eine Reihe realistischer Szenarien wird verwendet, um den Wert des neuen Ansatzes vollständig zu beweisen, der völlig neue Szenarien im Hinblick auf die Berechenbarkeit im Bereich der Energienetze eröffnet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen