Ein Forschungsteam der University of Illinois at Chicago (UIC) hat ein Projekt gestartet, um die Umsetzung eines neuen Energieparadigmas zu beschleunigen, das erneuerbare Energiequellen und Energiespeichersysteme einbezieht.
Konventionelle Kraftwerke, die ihre Wirkleistung an den Lastbedarf anpassen können, werden zunehmend durch Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien ersetzt, die ausschließlich von der Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen abhängen. Dies stellt eine große Herausforderung für den sicheren und zuverlässigen Betrieb der Stromnetze dar. Die Forscher an der University of Illinois Chicago (UIC) begegnen diesen Herausforderungen mit einem neuen Energieparadigma für die Stromerzeugung, das auf Leistungselektronik mit dezentraler, aber vernetzter Steuerung basiert. Dieses neue Konzept unterscheidet sich grundlegend von konventionellen Stromnetzen, die sich auf zentrale Kraftwerke stützen. Dr. Mohammad Shadmand, der sowohl als Assistenzprofessor am Fachbereich Elektrotechnik und Computertechnik als auch als Direktor des Intelligent Power Electronics at Grid Edge (IPEG) Research Laboratory an der UIC tätig ist, ist der Meinung, dass die Anreize für ein von der Leistungselektronik dominiertes Netz (Power-Electronics-Dominated Grid, PEDG) die Vorteile traditioneller Stromsysteme bei weitem überwiegen. „Herkömmliche Stromversorgungssysteme sind mit verschiedenen Problemen konfrontiert, z. B. mit Umweltproblemen (sie sind eine Ursache für die globale Erwärmung), Energieverlusten, Stabilitätsproblemen, geringer Effizienz und Einschränkungen bei der Beobachtungsplanung“, erklärt Dr. Shadmand. „Außerdem werden sie zentral auf der Ebene des Versorgungsunternehmens gesteuert. Der Übergang zu einem auf anderen Energieträgern basierenden PEDG entschärft die meisten dieser Bedenken. Es stellen sich jedoch noch einige neue Fragen. Wir arbeiten an den verschiedenen Aspekten dieser Herausforderungen, um eine effektive Gesamtlösung zu finden.“
Leistungselektronisch dominiertes Netz (PEDG)
Das PEDG (Power-Electronics-Dominated Grid) wird mit Kommunikationsinfrastrukturen und dem Internet of Things (IoT) integriert, um ein System mit bidirektionalen Informations- und Energieflüssen aufzubauen. Es führt neue Funktionen ein, darunter Angriffsresilienz, Selbstheilung, verbesserte Stromqualität, Unterbringung von Erzeugungs- und Speichersystemen am Ort der Last sowie die Echteitoptimierung des Systems. PEDG hat alles, was es braucht, um die Entwicklung der Strommärkte zu unterstützen.
Insgesamt bietet die MicroLabBox eine sehr hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, und wir konnten die Steuerung für intelligente Wechselrichter ohne großen Mehraufwand verifizieren.
Überwinden von Hindernissen
Das neue PEDG-Konzept ermöglicht zwar eine verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien im gesamten Netz, bringt aber auch einige Hindernisse in Bezug auf Datenschutz, Stabilität, Kontrolle, cyber-physische Sicherheit und Planung mit sich. Diese Probleme müssen angegangen werden, um die vollständige Umsetzung des neuen Paradigmas zu beschleunigen.
„Wenn wir diese Herausforderungen bewältigt haben, werden wir über ein sicheres und widerstandsfähiges Energiesystem verfügen, das der gesamten Nation in vielerlei Hinsicht zugute kommen kann, z. B. in Bezug auf soziales Wohlergehen, saubere Luft, geringere Gesundheitskosten und eine verbesserte Qualität der Stromversorgung“, sagt der UIC-Doktorand und IPEG-Forschungsassistent Mohsen Hosseinzadehtaher.
Die Lösung des UIC-Forschungsteams:
- Entwicklung von autonomen Steuerungsverfahren, z. B. selbstlernende Steuerungsmethoden, die die cyber-physische Sicherheit, Widerstandsfähigkeit, Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit des PEDG verbessern können.
- Grid-Clustering-Techniken zur besseren Steuerung des Netzes und zur Beseitigung überflüssiger Kommunikationsverbindungen.
- Entwicklung eines realen Mikronetz-Prüfstandes, um die entworfenen Regelungssysteme zu bewerten und ein zuverlässiges tragbares Energieerzeugungssystem zu entwerfen.
Groß denken, klein anfangen
Es werden mehrere Forschungsaktivitäten parallel durchgeführt. Laut Shadmand konzentrieren sich diese Aktivitäten auf die Geräteebene (netzinteraktive Wechselrichter) und die Systemebene (Interaktion von intelligenten Wechselrichtern in einem Netzcluster sowie Situationsbewusstsein und Cybersicherheitsanalyse).
„Die meisten Forschungsphasen sind abgeschlossen, und jetzt entwickeln wir ein echtes Mikronetz im kleinen Maßstab“, sagt Dr. Shadmand. „Wir werden dieses Mikronetz nutzen, um die Funktionalität der von uns entwickelten und vorgeschlagenen Techniken experimentell zu überprüfen, um unser Endziel zu erreichen: Gewährleistung eines robusten und sicheren Betriebs eines von der Leistungselektronik dominierten Netzes.“
Das Team identifiziert potenzielle Störungen, die die Systemstabilität gefährden könnten. Durch eine Ursachenanalyse dieser Probleme ist das Team in der Lage, intelligente Techniken zur Steuerung von Systemparametern zu entwickeln und die Belastbarkeit und Stabilität des Netzes zu verbessern.
MicroLabBox ist Teil des Prüfstandes
Das Team verwendet eine MicroLabBox-Prototyping-Einheit, um einzelne Leistungsschalter auf dem von ihnen entwickelten Prüfstand zu steuern. Die Prüfstandsregler wurden mit MATLAB®/Simulink® entwickelt. An den Leistungskomponenten werden Spannungs-/Strommessungen eingesetzt. Diese Messungen dienen als Eingabe für die MicroLabBox, die dann als Prozessor fungiert, der das in Simulink entwickelte Steuerungsschema steuert und die Logiksignale zur Ansteuerung der Wandler liefert. So nutzte das Team die MicroLabBox beispielsweise zur Entwicklung intelligenter netzbildender und netzfolgender Wechselrichter, um die Kohärenz in den von der Leistungselektronik dominierten Netzen zu gewährleisten. „Wir verwenden die digitalen Ausgänge der MicroLabBox, um die Schalter des Voll-H-Brücken-Wechselrichters zu steuern, und die analogen Eingänge, um die Messwerte von den Strom- und Spannungssensoren zu empfangen, die an verschiedenen Positionen des Voll-H-Brücken-Wechselrichters angeschlossen sind“, erklärt UIC-Doktorand und IPEG-Forschungsassistent Matthew Baker.
Der Prüfstand für die intelligenten netzbildenden und netzfolgenden Wechselrichter, getestet von Doktorand und IPEG-Forschungsassistent Matthew Baker.
Der ereignisgesteuerte selbstlernende Wechselrichter, der vom IPEG-Forschungsteam getestet wurde (von links): Mohsen Hosseinzadehtaher, Dr. Mohammad Shadmand und Amin Y. Fard.
Die beste Lösung, die die MicroLabBox bietet, ist die kurze Zeitspanne zwischen der Entwicklung eines Reglers in Simulink und dem Test.
Implementiertes prädiktives Regelungsverfahren
Zunächst wurde das belastbare modellbasierte prädiktive Regelungsverfahren, das sich an Methoden der künstlichen Intelligenz für netzinteraktive Wechselrichter orientiert, mit einer MATLAB/Simulink-Schnittstelle getestet. Anschließend wurde sie experimentell verifiziert, indem die Simulation in der dSPACE ControlDesk-Umgebung ausgeführt wurde.
Dr. Shadmand sagt, die beste Lösung, die die MicroLabBox bietet, ist die kurze Zeitspanne zwischen der Entwicklung eines Reglers in Simulink und dem Test.
„Die MicroLabBox erspart uns Investitionen in die Mikrocontroller-Programmierung zu Beginn unseres Entwicklungszyklus“, fährt er fort. „Die modellprädiktive Regelung hat zum Beispiel eine schnelle dynamische Reaktion, erfordert aber eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit mit minimaler Durchlaufzeit. Außerdem muss die von uns entwickelte adaptive Steuerung schnell sein, um das Problem der Resonanz im LCL-Filter unter schwachen und ultraschwachen Netzbedingungen in den Griff zu bekommen.“
„Insgesamt bietet die MicroLabBox eine sehr hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, und wir konnten die Steuerung für intelligente Wechselrichter ohne großen Mehraufwand experimentell verifizieren“, ergänzt Hosseinzadehtaher.
„Außerdem konnten wir mit der benutzerfreundlichen Oberfläche von ControlDesk alle Ergebnisse erfassen und die Parameter dynamisch ändern, um das dynamische Verhalten des Reglers zu erreichen“, so Baker weiter.
Kooperativer Betrieb von dezentralen Energiequellen
Für die granulare Untersuchung von PEDG wird die MicroLabBox als HIL-Plattform verwendet, um sekundäre und tertiäre Regler von PEDG zu implementieren und den kooperativen Betrieb von verteilten Energiequellen (DERs) für die Spannungsregelung, Frequenzregelung, synthetische Trägheitsemulation, Verbesserung der transienten Stabilität usw. in Kombination mit netzfolgenden und netzbildenden DERs zu untersuchen.
Mit freundlicher Genehmigung der University of Illinois at Chicago
dSPACE MAGAZIN, VERÖFFENTLICHT April 2022
