Test von netzbildenden Wechselrichtern und rückspeisefähiger Ladeinfrastruktur
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Robert Kohrs
Dr. Robert Kohrs leitet die Abteilung Intelligente Netze im Bereich Energietechnologien und -systeme am Fraunhofer ISE. Seine Forschungsschwerpunkte liegen u. a. bei Kommunikationstechnologien, Software zur Überwachung und Steuerung von dezentralen Energieanlagen und insbesondere der Netzintegration von Elektrofahrzeugen. Er ist an verschiedenen Projekten beteiligt, beispielsweise Resiliente Stromnetze für die Energiewende (RESIST) und BSI-konformes Laden mithilfe von Smart Meter Gateways (LamA-connect).
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Bernhard Wille-Haussmann
Dr. Bernhard Wille-Haussmann studierte Elektrotechnik an der Universität Stuttgart. Seit November 2005 arbeitet er am Fraunhofer ISE. Aktuell leitet er die Gruppe Netzplanung und Netzbetrieb sowie das Power-HiL Labor „Digital Grid Lab“. Schwerpunkt der Arbeiten ist die Simulation von Verteilnetzen mit der Integration dezentraler Energieerzeuger und Speicher.
Sönke Rogalla schloss sein Studium am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Jahr 2006 als Diplom-Ingenieur für Elektrotechnik und Informationstechnik ab. Im Jahr 2020 promovierte er in Elektrotechnik an der Technischen Universität Braunschweig. Seit 2006 ist er am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg tätig. Er war in verschiedenden Leitungspositionen verantwortlich für die Bereiche PV-Wechselrichterentwicklung, Hochleistungselektronik, Wechselrichterprüfung, PV-Systemkonzepte, Netzinteraktion von Wechselrichtern und netzbildende Wechselrichter. Seit 2022 ist er einer der beiden Leiter der Abteilung Leistungselektronik und Netzintegration am Fraunhofer ISE.
Roland Singer schloss sein Studium an der Hochschule Kempten und University of Ulster in Belfast 2012 als M. Eng. Electrical Engineering ab. Seit 2012 arbeitet er in der Abteilung Leistungselektronik und Netzintegration am Fraunhofer ISE. Aktuell leitet er die Gruppe Stromrichter basierte Netze. Seine Forschungsfelder sind das dynamische Verhalten von Leistungselektronik und der Netzbetrieb mit sehr hohem Anteil stromrichterbasierter Erzeugung. Er war verantwortlich für verschiedene Forschungsprojekte im Bereich der Netzinteraktion von erneuerbarer Erzeugung, darüber hinaus leitete er das TestLab Power Electronics, wo er verantwortlich für zahlreiche Projekte zur Vermessung von PV- und Speicherumrichtern nach internationalen Netzanschlussrichtlinien war.
Philipp Ernst, geboren 1991, studierte Elektrotechnik und Informationstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und schloss 2018 mit dem M. Sc. ab. Seit 2019 arbeitet er am Fraunhofer ISE in der Abteilung Leistungselektronik und Netzintegration im Bereich der Integration erneuerbarer Erzeugungseinheiten sowie der Regelung von netzfolgenden bis hin zu netzbildenden Wechselrichtern.
Jörn Schumann studierte Informatik an der Hochschule Furtwangen und schrieb seine Masterarbeit über einen robusten Deployment-Prozess für Softwareanwendungen im Smart Grid am Fraunhofer ISE. Seit 2019 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter mit Forschungsschwerpunkt Kommunikationslösungen für die Elektromobilität am Fraunhofer ISE. Er leitete das Forschungsprojekt „LamA – Laden am Arbeitsplatz“ und entwickelt zurzeit Kommunikationslösungen für das bidirektionale Laden.
Bjarne Scheimann, B. Sc., studierte bis 2022 Medieninformatik am Umwelt-Campus Birkenfeld, Hochschule Trier. Seit 2021 arbeitet er am Fraunhofer Institut ISE und hat hier seine Bachelorthesis im Bereich Kommunikationstests in Ladeinfrastruktur absolviert. Daraus entstand ein langfristigeres Projekt zur Entwicklung von weiterführender Testsoftware für Kommunikationsprotokolle im Digital Grid Lab, auf dem der Fokus seiner weiteren Arbeit am Institut liegt.
Zusammenfassung
Die heutige Regelung von Energiesystemen basiert auf verschiedenen kleineren Einheiten, wie z. B. PV-, Speicher- oder Windenergieanlagen. Im folgenden Beitrag werden Testumgebungen für netzbildende Umrichter und Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge vorgestellt. Herkömmliche Wechselrichter können die netzregelnden Eigenschaften der Synchrongeneratoren in konventionellen Kraftwerken nicht vollständig ersetzen. Um die Netzstabilität in einem zukünftigen, auf Leistungselektronik basierenden Stromnetz zu gewährleisten, werden netzbildende Umrichterregelungskonzepte benötigt. Für deren Prüfung und Bewertung sind neue Prüfverfahren erforderlich, die eine Analyse der Wechselwirkung zwischen Wechselrichtern und dem Verbundnetz ermöglichen. Dies gilt insbesondere für den Millisekunden- und Sekundenbereich, da das Verhalten von Wechselrichtern in diesem Zeitbereich im Gegensatz zum elektromechanisch bestimmten Verhalten von Synchronmaschinen durch die Steuerungssoftware bestimmt wird. Auf der Testplattform im Multi-Megawatt-Labor können die Eigenschaften verschiedener Regelstrategien und die Reaktion auf unterschiedliche Netzstörungen im Megawatt-Maßstab untersucht werden.
Wir haben herausgefunden und nachgewiesen, dass ein Wechselrichter mindestens die folgenden vier Eigenschaften erfüllen muss, um als netzbildend zu gelten: Spannungsquellenverhalten, Trägheitsverhalten, Beitrag zur Netzqualität, netzfreundliches Überlastverhalten. Auf der mittelfristigen Zeitskala (Minuten bis Tage) gewinnen flexible Lasten und Speichersysteme für das Netzüberlastungsmanagement und den Ausgleich von Erzeugung und Last an Bedeutung. Diese Anwendungen erfordern zuverlässige Kommunikationswege zwischen SCADA-Systemen und den flexiblen Verbrauchern, z. B. für intelligentes Laden. Es wird eine Testumgebung für das Testen von Ladestationen für Elektrofahrzeuge vorgestellt, die einen digitalen Zwilling eines Elektrofahrzeugs inkl. dessen Regelung enthält, der Tests der Protokollkonformität ermöglicht. Diese Arbeit zeigt die Nachteile von alleinigen Konformitätstests auf und unterstreicht, wie wichtig es ist, die Kombination aus Lademanagement und Ladestation zu testen, um einen zuverlässigen Betrieb der Versorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge zu gewährleisten.
Abstract
Today’s energy system control is based on various smaller units, such as the PV, storage, or wind energy plants. The following paper presents testbeds for grid forming converters and electric vehicle charging infrastructure. Traditional inverters cannot completely replace the grid-controlling properties of the synchronous generators in conventional power plants. In order to guarantee grid stability in a future power electronics-based power grid, grid-forming converter control concepts are required. For their testing and evaluation, new test procedures are required that allow the analysis of the interaction between inverters and the integrated grid. This applies in particular to the millisecond and second range, since the characteristics of inverters in this time range are defined by the control software, in contrast to the electromechanically determined behavior of synchronous machines. On the test platform in the Multi-Megawatt Lab, the properties of different control strategies and the reaction on different grid disturbances can be investigated on a megawatt scale. We have found and demonstrated that an inverter must meet at least the following four characteristics to be considered grid-forming: Voltage source behavior, inertial response, contribution to power quality, grid-friendly overload behavior. In the medium-term time scale (minutes up to days) flexible loads and storage systems are gaining importance for grid congestion management and the balancing generation and load. These applications require reliable communication paths between SCADA systems and the flexible appliance, e. g. for smart charging. A testbed for testing electric vehicle supply equipment is presented which features a basic digital twin of an electric vehicle and control framework, allowing for tests of a protocol conformity and interoperable implementation of control standards. This work shows the drawbacks of sole conformity tests and emphasizes the importance of testing the combination of charging management and charging station to ensure a reliable operation of electric vehicle supply equipment.
Über die Autoren
Dr. Robert Kohrs leitet die Abteilung Intelligente Netze im Bereich Energietechnologien und -systeme am Fraunhofer ISE. Seine Forschungsschwerpunkte liegen u. a. bei Kommunikationstechnologien, Software zur Überwachung und Steuerung von dezentralen Energieanlagen und insbesondere der Netzintegration von Elektrofahrzeugen. Er ist an verschiedenen Projekten beteiligt, beispielsweise Resiliente Stromnetze für die Energiewende (RESIST) und BSI-konformes Laden mithilfe von Smart Meter Gateways (LamA-connect).
Dr. Bernhard Wille-Haussmann studierte Elektrotechnik an der Universität Stuttgart. Seit November 2005 arbeitet er am Fraunhofer ISE. Aktuell leitet er die Gruppe Netzplanung und Netzbetrieb sowie das Power-HiL Labor „Digital Grid Lab“. Schwerpunkt der Arbeiten ist die Simulation von Verteilnetzen mit der Integration dezentraler Energieerzeuger und Speicher.
Sönke Rogalla schloss sein Studium am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Jahr 2006 als Diplom-Ingenieur für Elektrotechnik und Informationstechnik ab. Im Jahr 2020 promovierte er in Elektrotechnik an der Technischen Universität Braunschweig. Seit 2006 ist er am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg tätig. Er war in verschiedenden Leitungspositionen verantwortlich für die Bereiche PV-Wechselrichterentwicklung, Hochleistungselektronik, Wechselrichterprüfung, PV-Systemkonzepte, Netzinteraktion von Wechselrichtern und netzbildende Wechselrichter. Seit 2022 ist er einer der beiden Leiter der Abteilung Leistungselektronik und Netzintegration am Fraunhofer ISE.
Roland Singer schloss sein Studium an der Hochschule Kempten und University of Ulster in Belfast 2012 als M. Eng. Electrical Engineering ab. Seit 2012 arbeitet er in der Abteilung Leistungselektronik und Netzintegration am Fraunhofer ISE. Aktuell leitet er die Gruppe Stromrichter basierte Netze. Seine Forschungsfelder sind das dynamische Verhalten von Leistungselektronik und der Netzbetrieb mit sehr hohem Anteil stromrichterbasierter Erzeugung. Er war verantwortlich für verschiedene Forschungsprojekte im Bereich der Netzinteraktion von erneuerbarer Erzeugung, darüber hinaus leitete er das TestLab Power Electronics, wo er verantwortlich für zahlreiche Projekte zur Vermessung von PV- und Speicherumrichtern nach internationalen Netzanschlussrichtlinien war.
Philipp Ernst, geboren 1991, studierte Elektrotechnik und Informationstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und schloss 2018 mit dem M. Sc. ab. Seit 2019 arbeitet er am Fraunhofer ISE in der Abteilung Leistungselektronik und Netzintegration im Bereich der Integration erneuerbarer Erzeugungseinheiten sowie der Regelung von netzfolgenden bis hin zu netzbildenden Wechselrichtern.
Jörn Schumann studierte Informatik an der Hochschule Furtwangen und schrieb seine Masterarbeit über einen robusten Deployment-Prozess für Softwareanwendungen im Smart Grid am Fraunhofer ISE. Seit 2019 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter mit Forschungsschwerpunkt Kommunikationslösungen für die Elektromobilität am Fraunhofer ISE. Er leitete das Forschungsprojekt „LamA – Laden am Arbeitsplatz“ und entwickelt zurzeit Kommunikationslösungen für das bidirektionale Laden.
Bjarne Scheimann, B. Sc., studierte bis 2022 Medieninformatik am Umwelt-Campus Birkenfeld, Hochschule Trier. Seit 2021 arbeitet er am Fraunhofer Institut ISE und hat hier seine Bachelorthesis im Bereich Kommunikationstests in Ladeinfrastruktur absolviert. Daraus entstand ein langfristigeres Projekt zur Entwicklung von weiterführender Testsoftware für Kommunikationsprotokolle im Digital Grid Lab, auf dem der Fokus seiner weiteren Arbeit am Institut liegt.
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© 2022 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
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