Volume 70, Issue 12 - Special Issue: Hardware-in-the-Loop Platforms for the Automation and Control of Future Energy Systems; Guest Editors: Peter Bretschneider, Ralf Mikut and Veit Hagenmeyer

This paper assesses practical aspects related to advanced laboratory testing of smart grid applications with Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) approach. Particularly, the general features together with a set of extended use-cases for PHIL testing are introduced. An existing laboratory at TU Dortmund University is presented and considered as a reference for describing the architecture and the principal components of typical advanced laboratory testing infrastructures based on PHIL approach. A number of exemplary testbeds are provided to show the potentially applications of advanced PHIL testing for low-voltage distribution grids.

Kurzfassung Vor dem Hintergrund der Herausforderungen des Transformationsprozesses des Energiesystems wurde an der TU Dresden durch die Professur für Elektrische Energieversorgung und die Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung das Combined Energy Lab (CEL) aufgebaut. Es besteht aus einem elektrischen Niederspannungsnetzemulator, verschiedenen energetischen Anlagen (elektrische Lasten, Batteriespeicher, PV- und E-Fahrzeugemulation usw.) sowie aus einem Innenraumklimaversuchsraum, einem Außenklimaversuchsraum und verschiedenen Versuchsständen zur thermo-hydraulischen Kopplung von energetischen Wandlungseinheiten. Damit repräsentiert das CEL die technische Ausstattung eines modernen Gebäudes, das als Haushalts- bzw. Gebäudezelle aufgefasst werden kann. Dadurch ist es möglich, komplexe Systeme im Sinne der Sektorenkopplung zu analysieren.

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.

This paper describes the Networked Energy Systems Emulation Center – DLR-NESTEC – a platform for research on power grids of the future. The DLR-NESTEC consists of a large number of networked power electronic components with which real hardware can be emulated using a real-time simulation system. The grid networking is realized via cable emulators. The laboratory works with real physical power flows and has a connected load of 800 kVA. In addition to the emulators, real network components can be integrated into the laboratory. The sector coupling is addressed by the coupling of charging infrastructure of electric cars as well as the integration of electricity-controlled heating systems. In addition, hydrogen technologies can be integrated. The laboratory is controlled by a SCADA system coupled to high-resolution measurement equipment. With the help of DLR-NESTEC, various future questions regarding robust and safe operation sector-coupled energy networks can be addressed – for instance the operation of a grid structure with a high share of controllable loads without a superordinate control.

Low-inertia power systems, i.e., power-electronics-dominated power systems, possess significantly different dynamics to conventional power systems, both on a component and a system-wide level. A direct implication of these substantial changes is that a pure simulation-based assessment of novel control and operational schemes for such systems is insufficient. Instead, flexible and easily reconfigurable experimental testing facilities are required. A prominent concept to enable such capabilities is power-hardware-in-the-loop (PHiL) testing. We present a PHiL testbed facility (230/400 VAC, 750 VDC, 100 kW) specifically designed for experimentally testing and validating control and operational schemes for low-inertia power systems. The main features of the testbed are its flexibility to rapidly implement and test advanced control algorithms, ranging from low-level controls of individual components to distributed and system-wide controls, its ability to be configured with different network topologies, and the efficient emulation of commonly observed parameter uncertainties as well as disturbances. The detailed description of the PHiL testbed is complemented by a performance demonstration via a case study.

Local Energy Communities (LEC) have been recognized by the European Union (EU) as a key component of the energy transition. The Clean Energy Package of the European Commission has defined a legislative framework for the operation of LEC that aim at participation of LEC in energy markets. The digitalization of LECs is a critical step both for the realization of those communities as well as for their interface to system operator, service providers and markets. In this paper, we present an incremental prototyping approach and the related infrastructure to develop control and information and communications technology (ICT) solutions for local energy communities.

In the present paper, we introduce the Smart Energy System Control Laboratory (SESCL) as a fully-automated and user-oriented research infrastructure for controlling and operating smart energy systems in the context of a microgrid-under-test setting. SESCL’s high level of automation and capacity to fully function in a grid-decoupled way allow for the study and evaluation of yet-to-be-developed tools and algorithms for energy technologies and grid control strategies on the edge of system stability, but in a safe environment. In the context of various European Smart Grid Laboratories, the new concept and specifications of SESCL are outlined in depth. The key advantages of SESCL are highlighted as (i) the provisioning of a fully-automated busbar matrix to provide a very flexible and adjustable microgrid topology; (ii) the capability of load shedding or integration of grid participants, as well as changing the microgrid topology on demand; (iii) and the possibility to control and modify setpoints and operating parameters of grid participants during runtime. Inspired by real-world events in island grids, the islanding of a microgrid is utilized as a use case to illustrate the capabilities of the SESCL research infrastructure.