Erneuerbare Energien Energiesysteme: HIL für die Insel Hawaii mit Siemens
Siemens
Energie
05. / 25. / 2022
Das Unternehmen
Siemens ist ein weltweit führendes Technologieunternehmen in den Bereichen Elektrifizierung, Automatisierung und Digitalisierung. Der Geschäftsbereich „Technology“ treibt Innovationen bei der „ Energiesysteme “ und bei Steuerungsarchitekturen für die Energiewende voran. Dr. Ulrich Münz, Principal Key Expert für Steuerungssysteme bei Siemens, leitet das Hawaii-Projekt und bringt dabei sein Fachwissen in den Bereichen robuste und dezentrale Steuerung, Optimierung der Leistungselektronik sowie Inselnetz Autonome Systeme ein, das er im Rahmen seiner früheren Arbeit am Siemens-Hybridkraftwerk auf den Galapagos-Inseln erworben hat.
Ein stabiler Betrieb von „ Energiesysteme “, in denen Wind- und Solarstrom den Großteil der Erzeugung ausmachen, stellt ein Haupthindernis für einen hohen Anteil erneuerbarer Energien in Netzen wie denen von Hawaii, Irland oder Australien dar. Die größte Herausforderung besteht darin, dass sich die Dynamik des Stromnetzes grundlegend verändert, wenn der Anteil erneuerbarer Energien gegen 100 % tendiert. Die Entwicklung und Validierung innovativer Lösungen für solche Systeme ist ohne einen hochpräzisen digitalen Zwilling des realen Systems nicht möglich. Im Rahmen unseres Projekts hat uns OPAL-RT maßgeblich dabei unterstützt, diese virtuelle Umgebung für unseren Demonstrator zu entwickeln.
Dr. Ulrich Münz
Leitender Fachexperte für Steuerungssysteme, Siemens
Die Herausforderungen
- Ziel „100 % erneuerbare Energien“: Hawaii strebt bis 2045 ein vollständig aus erneuerbaren Energien gespeist Erneuerbare Energien es Stromnetz an, was grundlegende Veränderungen in der Dynamik des Stromnetzes erfordert, da konventionelle Kraftwerke stillgelegt werden.
- Frequenz- und Spannungsstabilität: Mit dem steigenden Anteil erneuerbarer Energien, die über Wechselrichter eingespeist werden, wird es immer komplexer, die Frequenz- und Spannungsstabilität des Netzes ohne herkömmliche Synchrongeneratoren aufrechtzuerhalten.
- Inselnetz-Isolation: Insel Energiesysteme e verfügen über keine Verbindung zu benachbarten Netzen, die als Reserve dienen könnten, wodurch das N-1-Sicherheitskriterium – das den Ausfall einer einzelnen Komponente verkraften muss – besonders anspruchsvoll ist.
- Validierung vor der Inbetriebnahme: Innovative Algorithmen zur Unterstützung der Netzbetreiber müssen in einer realistischen virtuellen Umgebung erprobt werden, bevor sie in einem Live-Netzwerk eingesetzt werden, das geschäftliche und Privathaushalte Kund:innen versorgt.
Die OPAL-RT-Lösung
Das Team entwickelte einen bei PNNL gehosteten End-to-End-HIL-Demonstrator, der die Echtzeitsimulation von OPAL-RT mit der Energiemanagementplattform „ geschäftliche “ von Siemens kombiniert:
- hardware Hochpräziser Digital Twin: Das Stromnetzmodell von Hawaiian Electric (ursprünglich in PSS®E) wurde Schritt für Schritt in elektromagnetische Transientenmodelle (EMT) in PSS®SINCAL und Simscape™ umgewandelt und anschließend mithilfe von RT-LAB und ARTEMiS.
- HIL-Integration: Die Echtzeit-Netzsimulation ist mit dem Energiemanagementsystem „ geschäftliche “ Spectrum Power™ 7 von Siemens und dem Assistenzsystem SIGUARD® DSA verbunden und bildet so einen HIL-Demonstrator mit geschlossenem Regelkreis, der Algorithmen zur Bedienerunterstützung unter realistischen Betriebsbedingungen validiert.
- Prognose und Optimierung: Die SIGUARD®-DSA-Algorithmen prognostizieren, wie das Inselnetz auf kritische Ereignisse reagiert, und bieten den Betreibern alternative Wechselrichtereinstellungen zur Reduzierung von Leistungsschwankungen – alles vor dem Einsatz in der Praxis anhand des digitalen Zwillings von OPAL-RT validiert.
Wir freuen uns sehr, Teil dieses wegweisenden „Vorteil “-Projekts unter der Leitung von Siemens zu sein, dessen Ziel die Verwirklichung eines zukünftigen Energienetzes mit einem extrem hohen Anteil an dezentralen Energiequellen ( Erneuerbare Energien) ist. Wir stellen nicht nur die Echtzeit-Simulatoren zur Verfügung, sondern unterstützen das Team auch bei der erfolgreichen Implementierung der Modelle und des HIL. Eine solche Zusammenarbeit zwischen Branchenexperten ist für den Erfolg komplexer Projekte wie dieses von unschätzbarem Wert.
Sudipta Chakraborty
Leiter des Bereichs Energiesysteme, OPAL-RT
Die Ergebnisse
Der mit OPAL-RT betriebene HIL-Demonstrator lieferte entscheidende Ergebnisse für die Initiative „ Erneuerbare Energien “ auf Hawaii:
- Validierte Bedienerunterstützungssysteme: Die Wirksamkeit der neuen Energiemanagement- und Assistenzsysteme von Siemens wurde unter realen Betriebsbedingungen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien nachgewiesen.
- Stabiler Betrieb mit hohem Anteil erneuerbarer Energien: Es wurde nachgewiesen, dass ein stabiler Netzbetrieb auch dann möglich ist, wenn der Anteil erneuerbarer Energien fast 100 % erreicht, was Zuversicht für Hawaiis Ziel für 2045 schafft.
- Reduzierte Leistungsschwankungen: Das Assistenzsystem hat erfolgreich alternative Wechselrichter-Einstellungen ermittelt, die die durch schwankende Wind- und Solarstromerzeugung verursachten Leistungsschwankungen reduzieren.
- Skalierbar Konzept: Der Demonstrationsbetrieb schafft eine reproduzierbare Plattform, die auf andere Inselnetze und isolierte Netze weltweit (z. B. Irland, Australien) übertragbar ist, die vor ähnlichen Herausforderungen bei der Einbindung erneuerbarer Energien stehen.
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