Global RT-Super Lab: Eine transatlantische Echtzeit-Co-Simulation

Das Unternehmen

Das Global RT-Super Lab ist eine herstellerunabhängige, dezentrale Forschungsplattform, die 2017 im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen drei US-amerikanischen Nationallabors (NREL, Sandia, Idaho National Laboratory), drei US-amerikanischen Universitäten (Colorado State University, University of South Carolina, Washington State University) und zwei europäischen Universitäten (RWTH Aachen, Politecnico di Torino) gegründet wurde. Gemeinsam bündeln diese Einrichtungen ihr Fachwissen und ihre Infrastruktur, um das Verständnis für Netze, die von Leistungselektronik geprägt sind, sowie für Energienetze der nächsten Generation voranzutreiben.

Die Herausforderungen

• Beispiellose Komplexität: Die Integration der geografisch verteilten Echtzeitsimulation (GD-RTS) über acht Labore, mehrere Anbieter und transatlantische Entfernungen hinweg stellte uns vor enorme koordinationelle und technische Herausforderungen.
• Netzdynamik bei geringer Trägheit: Die schrittweise Einführung dezentraler Energiequellen (DER) über leistungselektronische Schnittstellen verändert die Dynamik des Stromnetzes grundlegend und erfordert neue Validierungsansätze für Netze, in denen der Anteil der Wechselrichter-basierten Quellen nahezu 100 % beträgt.
• Energieerhaltung an Schnittstellen: Für eine genaue GD-RTS-Simulation darf an den Schnittstellen zwischen den Teilsystemen keine Energie erzeugt oder gespeichert werden – ein Verstoß gegen dieses Prinzip beeinträchtigt die Stabilität und Genauigkeit der Simulation.
• Vertraulichkeitsauflagen: Die beteiligten Institutionen, Industrieunternehmen und Energieversorger mussten Simulationsressourcen gemeinsam nutzen und gemeinsame Experimente durchführen, ohne dabei geschützte oder nationale Netzdaten offenzulegen.

Die OPAL-RT-Lösung

Das Konsortium errichtete eine umfassende Co-Simulationsinfrastruktur, die zehn digitale Echtzeitsimulatoren in acht Labors miteinander verbindet:

• Herstellerübergreifende Echtzeit-Simulation: OPAL-RT-Simulatoren bildeten an mehreren Standorten – darunter NREL (PHIL für PV-Wechselrichter), Sandia (PHIL für Windkraftanlagen), CSU, USC und POLITO – zusammen mit Geräten anderer Hersteller das Rückgrat des Systems und bewiesen damit echte herstellerunabhängige Interoperabilität.
• VILLAS-Framework: Ein offenes Co-Simulations-Framework, das die internetbasierte Vernetzung aller DRTS-Einheiten ermöglicht und den Datenaustausch von Strom- und Spannungsgrößen verwaltet, wobei an jeder Schnittstelle die Energieeinsparung gewährleistet bleibt.
• HIL- und PHIL-Integration: Die Plattform kombinierte standortübergreifend HIL (Hardware-in-the-Loop ) und Power- Hardware-in-the-Loop (PHIL) und ermöglichte so eine umfassende „Real-World- Tests “ neuartiger Technologien im Hinblick auf die bestehende Netzinfrastruktur.
• RT-LAB-Implementierung: Die RT-LAB- software von OPAL-RT stellte die Simulationsumgebung für die Modellimplementierung, die Partitionierung und die Echtzeitausführung in den teilnehmenden Laboren bereit.

Die Ergebnisse

Die Demonstration im September 2017 stellte einen Meilenstein in der Simulation dezentraler Stromversorgungssysteme dar:

• Weltweit größtes GD-RTS: Die bislang größte geografisch verteilte Echtzeitsimulation eines großen Stromnetzes, die sich über zwei Kontinente erstreckte, wurde erfolgreich durchgeführt.
• Validierung transatlantischer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HVDC): Nachgewiesene transatlantische HVDC-Verbindung zwischen US-amerikanischen und europäischen Referenzübertragungsnetzen unter Berücksichtigung lokaler Wechselwirkungen zwischen Übertragungs- und Verteilungsnetzen.
• Kosteneffiziente gemeinsame Ressourcennutzung: Erhöhte Rechenleistung in jedem Labor ohne zusätzliche Investitionen sowie die Möglichkeit zur gemeinsamen Nutzung von hardware/software ohne lokale Replikation.
• Vertrauliche Zusammenarbeit: Es wurde nachgewiesen, dass gemeinsame Forschungsstudien auch unter strengen Vertraulichkeitsauflagen durchführbar sind, wobei der indirekte Datenaustausch den Schutz geschützter Informationen gewährleistet.
• Nachhaltiger Einfluss: Die Methodik und der Rahmen des Demonstrationsprojekts prägten nachfolgende Projekte und schufen eine Vorlage dafür, wie groß angelegte Simulationen von Stromversorgungssystemen in den kommenden Jahren durchgeführt werden.

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