Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik

Stromerzeugung und Automatisierungstechnik

Unsere Forschungsschwerpunkte: Netzdynamik, Netzregelung und Systemführung; Interaktion von Kraftwerken und Netz im Energiemarkt; Energiesystemanalyse unter Berücksichtigung des Netzes; Regelung von thermischen Kraftwerken

Forschungsaktivitäten

In der Abteilung Stromerzeugung und Automatisierungstechnik beschäftigen wir uns mit Forschungsfragen, welche das Zusammenwirken aller beteiligten Akteure in der elektrischen Energieversorgung betreffen. Diese können den folgenden Bereichen zugeordnet werden. Informationen zu konkreten Forschungsprojekten finden Sie weiter unten.

  • Netzdynamik, Netzregelung und Systemführung: Modellierung und Simulation des dynamischen Netzverhaltens sowie Erforschung regelungstechnischer Mechanismen zur Sicherstellung der Netzstabilität im Normalbetrieb und nach größeren Störungen, auch unter Berücksichtigung neuer Technologien wie u.a. umrichterbasierte Erzeugung und Batteriespeicher [mehr]
  • Interaktion von Kraftwerken und Netz im Energiemarkt: Dynamische Phänomene und Anforderungen an Kraftwerke und Netze, die sich aus dem Strommarkt ergeben [mehr]
  • Energiesystemanalyse unter Berücksichtigung des Netzes: Analyse der Entwicklungsoptionen für das Energieversorgungssystem unter expliziter Berücksichtigung des Netzes [mehr]
  • Regelung von thermischen Kraftwerken: Blockführungskonzepte und modellbasierte Regelungen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens thermischer Anlagen [mehr]

Laufende und kürzlich abgeschlossene Forschungsprojekte

Systemdienstleistungen für Übertragungsnetzbetreiber unter plattformbasierter Nutzung dezentraler Flexibilitätsoptionen im zellularen System der Zukunft

  • Ermittlung und Analyse des Flexibilitätspotentials für Engpassmanagement, sowie Modellierung der Einflussfaktoren auf Flexibilitätsoptionen und Flexibilitätsplattform
  • Szenarienerstellung und Simulation eines ganzheitlichen Modells zur plattformbasierten Nutzung von Flexibilitätsoptionen für Engpassmanagement im zellularen System der Zukunft, sowie Bewertung der Möglichkeiten zur Kopplung von Markt und Netz
  • Unterbeauftragung im Rahmen des SINTEG-Projekts C/sells
Thema und Ziele

Das Projekt fleXells ist darauf ausgerichtet die Möglichkeiten zur Erbringung von Systemdienstleistungen für Übertragungsnetzbetreiber unter plattformbasierter Nutzung dezentraler Flexibilitätsoptionen im zellularen System der Zukunft aufzuzeigen.

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist eine Analyse des Flexibilitätspotentials aus unterlagerten Netzebenen und dessen Zugänglichkeit für Engpassmanagement der (Übertragungs-) Netzbetreiber im Rahmen eines zellularen Ansatzes. Schwerpunkte sind dabei die Ermittlung und Optimierung des nach Abzug des nicht nutzbaren und nicht verfügbaren real verbleibenden Potentials, dessen Erschließung und Anbindung an Strommarkt einerseits und Netz andererseits über eine Plattformlösung, sowie die Berücksichtigung der Besonderheiten aggregierter virtueller Flächenkraftwerke und deren Betriebsstrategien für die Bewertung des verbleibenden Flexibilitätspotentials, um auf dieses für Engpassmanagementmaßnahmen zugreifen zu können.

FleXells ist eng verknüpft mit dem Verbundvorhaben C/Sells. Zentral sind dabei die Einbeziehung der übergreifenden Konzepte, bspw. des zellularen Ansatzes, der sog. „Netzampel“ als Instrument der Systembetriebsführung und einer Plattformlösung für Engpassmanagement durch Flexibilitätsoptionen („Flexibilitätsplattform“)

Keywords

Engpassmanagement, Flexibilitätspotential, Plattformlösung, virtuelles Kraftwerk

Zugehörige Publikationen
  • Müller B., Lens H., “Coordinated Dynamic Use of Dispersed Flexibility to Maximize the Time-Variant Aggregated Potential for Redispatch “accepted for IFAC World Congress 2020, Berlin.
  • Müller B., Paret T., Lens H., „Redispatch Potential of Virtual Power Plants for Transmission Grid Congestion Management“, Proc. of International ETG-Congress; ETG Symposium, Esslingen, 2019.
Gefördert durch das BMWi
Gefördert durch das BMWi

Analyse der Integration erneuerbarer Energien in Deutschland und Europa unter Berücksichtigung der Versorgungssicherheit und dezentraler Flexibilitäten

  • Abbildung von Übertragungsnetzen im Kontext der Energiesystemanalyse
  • Rolle des Netzausbaus als Flexibilitätsoption für die Integration erneuerbarer Energien
Thema und Ziele

Das Projekt adressiert die Abbildung von netzseitigen sowie akteursbezogenen Aspekten in Energiesystemmodellen und die Analyse der daraus resultierenden Szenarien für Europa.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll durch eine bidirektionale Kopplung vom DLR-Energiesystemmodell mit dem Übertragungsnetzmodell des IFK eine konsistente und integrierte Modellierung des zukünftigen Energiesystems erfolgen, welche auch Restriktionen des Übertragungsnetzes berücksichtigt.

Iterative Kopplung zwischen Energiesystemmodellierung und Übertragungsnetzmodellierung
  • Kopplung vom Energiesystemoptimierung zum Übertragungsnetzmodell:
    In der Kopplung von Energiesystem in Richtung Übertragungsnetzmodell werden regionale Last und Erzeugungsprofile disaggregiert und Annahmen über Blindleistung und Spannungsprofile getroffen um daraus Knoten-scharfe Leistungsflussanalysen durchführen zu können. Die Grundvoraussetzung hierfür ist die Verwendung von einem vollständigen europäischen Netzdatensatz, der neben den elektrischen Netzparametern auch die Geokoordinaten der Verbrauch- und Erzeugungsknoten beinhaltet. Außerdem werden Netzausbau und Erzeugerausbau-Entscheidungen im Netzmodell disaggregiert.
  • Kopplung vom Übertragungsnetzmodell zur Energiesystemoptimierung:
    In dieser Kopplungsrichtung werden aggregierte Netznebenbedingungen für das Optimierungsproblem formuliert. Die Nebenbedingungen sorgen dafür dass der sichere Betrieb im Netz, auch bei N-1 Fällen, gewährleistet ist. Somit wir der Raum für die Ausbauentscheidungen und die Einsatzplanungen eingegrenzt, sodass nur Kombinationen zulässig sind, die den sicheren Betrieb des Netzes garantieren.
    Außerdem werden Kostenfunktionen für den interregionalen Netzausbau berechnet und für die Energiesystemoptimierung zur Verfügung gestellt.
Integrierten Modellierungsansatz

Im Anschluss an die geplanten Kopplungen wird untersucht, inwieweit die Netzbetrachtung in der Energiesystemoptimierung in einem integrieren Ansatz (nicht basierend auf iterative Kopplung) berücksichtigt werden kann.

Berücksichtigung von dynamischen Aspekten

Die Untersuchung der Berücksichtigung, wie  Frequenz- und Spannungsstabilität als Netznebenbedingungen für zukünftige Entscheidungen berücksichtigt werden können, rundet das Projekt ab.

Keywords

Übertragungsnetzmodell, Netzausbau, Energiesystemanalyse, Leistungsflussberechnung

Simulationsergebnisse für die Frequenz eines summarischen Netzmodells
Ohne den Netzselbstregeleffekt würde die Frequenz bei einer Störung des Wirkleistungsgleichgewicht immer weiter fallen (schwarz). Durch die Frequenzabhängigkeit des Verbrauchs wird die Frequenz jedoch stabilisiert (mittelblau). Die Regelleistung verringert die Frequenzabweichung zusätzlich (dunkelblau).

Veränderungen im Netzdynamikverhalten aufgrund des Netzselbstregeleffekts

  • Messtechnische Bestimmung des Netzselbstregeleffekts
  • Erstellung von dynamischen Verteilungsnetzmodellen
Thema und Ziele

Stromerzeugung und -verbrauch müssen sich im elektrischen Netz zu jeder Zeit im Gleichgewicht befinden. Die im Betrieb auftretenden Leistungsungleichgewichte werden dabei zum einen durch gezielte automatische Eingriffe der Netzregelung ausgeglichen, zum anderen existieren systeminhärente Stabilisierungsmechanismen, wie etwa die Trägheit der rotierenden Massen der Synchrongeneratoren und der Netzselbstregeleffekt. Durch den vermehrten Zubau von umrichterbasierten Stromerzeugern auf der einen Seite und die Zunahme leistungsgeregelter Verbraucher auf der anderen Seite kann es in den nächsten Jahren jedoch zu einer grundlegenden Veränderung dieser systeminhärenten Stabilisierungsmaßnahmen kommen. Während die Auswirkungen der rotierenden Massen auf das Gesamtsystem bereits Gegenstand diverser Studien sind, wurde die Veränderung des Netzselbstregeleffekts bislang noch nicht ausreichend untersucht. Im Projekt soll daher zunächst der Netzselbstregeleffekt messtechnisch erfasst und anschließend seine Auswirkungen auf die Netzdynamik durch Simulationen analysiert werden.

Keywords

Netzselbstregeleffekt, Verteilungsnetzmodelle, Lastmodelle, Aktive Verteilnetze

Zugehörige Publikationen
  • Mitrentsis, Georgios; Lens, Hendrik: Unsupervised learning method for clustering dynamic behavior in the context of power systems, accepted for IFAC World Congress 2020, Berlin.
  • Schöll, Christian; Lehner, Joachim; Lens, Hendrik: Bedeutung und messtechnische Bestimmung des Netzselbstregeleffekts. In: 13. ETG/GMA-Fachtagung „Netzregelung und Systemführung“, 18. – 19.09.2019 in Berlin.

Entwicklung und Implementierung eines Verfahrens zum Monitoring der Einhaltung der technischen Präqualifikationsbedingungen für Regelleistung

  • Entwicklung eines Monitoringkonzeptes für die Regelleistungsprodukte FCR, aFRR und mFRR
  • Entwicklung eines Verfahrens zur Aufteilung der insgesamt eingespeisten Leistung auf die angebotenen Produkte (Fahrplan, FCR, aFRR, mFRR)
Thema und Ziele

Um auftretende Leistungsungleichgewichte auszugleichen und die Frequenz innerhalb der erlaubten Betriebsgrenzen zu halten, wird Regelleistung (FCR, aFRR, mFRR) verwendet. Bislang wurde die Regelleistung hauptsächlich durch große konventionelle Kraftwerke (z.B. Kohle- und Pumpspeicherkraftwerke) erbracht. Das Monitoring der Erbringungsqualität wurde hierbei aufgrund der geringen Anzahl an Erbringern manuell durchgeführt. Im Rahmen der Energiewende wird der Regelleistungsmarkt durch Anpassungen der Regularien (z.B. kürzere Produktzeiträume und kleinere Mindestangebotsmengen) auch für kleinere dezentrale Anlagen geöffnet. Hierdurch hat sich die Anzahl präqualifizierter Anlagen (am Regelleistungsmarkt teilnahmeberechtige Anlagen) deutlich erhöht und das Technologiespektrum hat sich stark diversifiziert.

Da hierdurch ein manuelles Monitoring sehr aufwendig wird, wird innerhalb dieses Projektes ein Konzept für ein automatisiertes Monitoring der Erbringungsqualität von Regelleistung entwickelt. Anhand von, zum Regelleistungsprodukt passenden, Übertragungsfunktionen wird dabei aus dem Regelleistungssollwert ein Toleranzkanal für die Erbringung generiert. Anschließend wird anhand einer Normierung die übersichtliche Darstellung der Ergebnisse des Monitorings in einem Schaubild ermöglicht. Um die Auswirkungen für die unterschiedlichen Technologien zu analysieren, werden generische Modelle für die unterschiedlichen Technologien (z.B. konventionelle Kraftwerke, Batterien, Elektrolyseure) erstellt und getestet.

Zusätzlich wird eine Methode zur Aufteilung der insgesamt erbrachten Leistung auf die angebotenen Produkte (Fahrplan, FCR, aFRR, mFRR) entwickelt, um die für das Monitoring notwendigen Erbringungsdaten der verschiedenen Regelleistungsprodukte zu bestimmen. Hierzu werden anhand der überlieferten Daten Übertragungsfunktionen für die Reaktion auf Sollwertänderungen des jeweiligen Produktes abgeschätzt.

Keywords

Regelleistung, Monitoring

Zugehörige Publikationen
  • Maucher, Philipp; Lens, Hendrik: “Dynamisches Monitoringverfahren für die Erbringung von Primärregelleistung (FCR).” for „KELI – Konferenz zur Elektro-, Leit- und Informationstechnik“ (accepted), Bremen, 2020.
Gefördert durch das BMWi
Gefördert durch das BMWi

Analyse der Stabilität des Verbundsystems mittels dynamischer Simulation unter besonderer Berücksichtigung des Verhaltens umrichterbasierter Erzeugung

  • Entwicklung spannungseinprägender Wechselrichter
  • Netzbetrieb mit 100% erneuerbaren Energien technisch ermöglichen
  • Untersuchung der Auswirkungen von Wechselrichtern auf die Netzdynamik
Thema und Ziele

Das Projekt befasst sich mit der Aufrechterhaltung eines stabilen Verbundsystemverhaltens bei hoher Durchdringung mit Umrichtern. Mit dem fortschreitenden Ausbau der Erneuerbaren Energien und der Integration von elektrischen Speichern wandeln sich die technologischen Grundlagen der Netztechnik fundamental. Ziele des Projekts sind die Erarbeitung, Analyse, Umsetzung und Erprobung neuer Ansätze für die Regelung von Umrichtern am Netz mit Blick auf die heutigen und zukünftigen Anforderungen an ein stabiles und robustes Verbundsystemverhalten.

Das IFK hat das Ziel, den Einfluss von hohen Anteilen umrichterbasierter Erzeugung auf das dynamische Verhalten und die Stabilität des Verbundsystems mit theoretischen Überlegungen sowie modellbasierten Simulationen zu untersuchen. Aus diesen Ergebnissen sollen qualitative Aussagen hervorgehen, aus denen Handlungsempfehlungen für die Integration von hohen Anteilen umrichterbasierter Erzeugung abgeleitet werden können.

Zugehörige Publikationen
  • Schöll, Christian; Lens, Hendrik (2020): Impact of Current Limitation of Grid-forming Voltage Source Converters on Power System Stability. In: IFAC WC 2020 Berlin (accepted).
  • Schöll, Christian; Lehner, Joachim; Lens, Hendrik (2018): Impact of current-controlled voltage source converters on power system stability. In: Conference Proceedings: IFAC Symposium on Control of Power and Energy Systems - 10th CPES (Volume 51, Issue 28, 2018), S. 570–575. Online verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405896318334852.

Verein AKN

In Kooperation mit dem Verein der Freunde und Förderer der Forschung im Bereich Automatisierungspraxis, Kraftwerksleittechnik und Netzregelung e.V. (AKN) veranstalten wir Workshops zu unseren Forschungsthemen.

Kontakt

Dieses Bild zeigt  Hendrik Lens
Univ.-Prof. Dr.-Ing.

Hendrik Lens

Leiter der Abteilung Stromerzeugung und Automatisierungstechnik (SuA)
Professor für Kraftwerks- und Netzsysteme

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