ALene

Batteriespeichersysteme spielen in modernen Energiesystemen eine entscheidende Rolle. Sie ermöglichen es, überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen wie Solar- und Windenergie zu speichern und bedarfsgerecht zu nutzen. Dies trägt dazu bei, das Stromnetz zu stabilisieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Intelligente Algorithmen und fortschrittliche leistungselektronische Systeme sind unerlässlich, um die Effizienz und Zuverlässigkeit dieser Speicherlösungen zu maximieren.

Das Verbundprojekt ALene, eine Kooperation von Industrie, Netzbetreibern und Forschungseinrichtungen, hat zum Ziel, Algorithmen und leistungselektronische Systeme für den optimierten, netzdienlichen und multifunktionalen Betrieb von Batteriespeichern zu entwickeln und in der Praxis zu erproben. Dabei sollen Lösungen entstehen, die dazu beitragen, negative Netzeinflüsse und lokale Netzphänomene zu reduzieren und zu kompensieren, die Versorgungsqualität zu steigern, Betriebsmittel zu entlasten und die vorhandene Netzinfrastruktur optimal zu nutzen. Dies führt in Summe zu einer gesteigerten Gesamtsystemeffizienz und -resilienz in lokalen Verteilnetzen.

Im Rahmen des Projekts werden Batteriespeichersysteme mit erweiterten Systemdienstleistungsfunktionen ausgestattet und systemisch integriert. Dazu werden spezifische Algorithmen entwickelt, die in Kombination mit erweiterten leistungselektronischen Komponenten und intelligenter Kommunikationstechnik in die Systemführung integriert werden.

Projektziele

Das Projekt ALene zielt darauf ab, die Effizienz und Funktionsvielfalt von Batteriespeichersystemen in Verteilnetzen zu verbessern und deren Integration in übergeordnete Netzsteuerungssysteme zu optimieren. Die Hauptziele im Einzelnen sind:

  1. Systemleitwarte für netzdienliche Speichersysteme: Entwicklung und Implementierung neuer Betriebs- und Steuerungsverfahren für Batteriespeichersysteme, um deren netzdienlichen Einsatz im Rahmen des übergeordneten Leit- und Steuerungssystems zu gewährleisten. Dabei sollen integrierte Lösungen für eine reaktionsschnelle und stabile Netzführung geschaffen werden.
  2. Multifunktionales Speichersystem: Gestaltung eines technisch, ökologisch und ökonomisch optimierten Batteriespeichersystems, das multifunktional und netzdienlich eingesetzt wird. Ziel ist die Maximierung des Nutzens dieser Systeme durch eine erweiterte Funktionalität innerhalb des Gesamtsystems, um verschiedenen Anforderungen im Netzbetrieb gerecht zu werden.
  3. Netzserviceoptimierte Leistungselektronik: Entwicklung einer Hard- und Softwarelösung, die es ermöglicht, die Leistungselektronik von Batteriespeichern für einen optimierten, multifunktionalen und netzdienlichen Betrieb zu nutzen. Dies beinhaltet die Anpassung der Betriebsführung an die Anforderungen moderner Verteilnetze.
  4. Multifunktionale intelligente AC/DC-Mess- und Monitoringsysteme: Konzeption und Entwicklung präziser und integrierter Messsysteme, die zur Überwachung und Analyse der Netzqualität (Power Quality) sowie zur Erkennung von Resonanzen im Netz beitragen. Diese Systeme sollen in den netzdienlichen Betrieb von Batteriespeichern integriert werden, um eine verbesserte Kontrolle und Diagnose zu ermöglichen.
  5. Netzdienliche Regel- und Steuerverfahren für 4-Zweige-Wechselrichter: Analyse und Entwicklung von Konzepten für die Steuerung von 4-Zweige-Wechselrichtern, zunächst durch Simulation und anschließend durch praktische Umsetzung. Ziel ist eine robuste Soft- und Hardwarelösung, die in Zusammenarbeit mit Industriepartnern getestet und optimiert wird.
  6. Netzdienlicher Speichereinsatz im Microgrid: Integration, Validierung und Optimierung von Batteriespeichersystemen in Microgrids, um deren netzdienlichen Einsatz zu demonstrieren und die Wechselwirkungen mit verschiedenen Netzkomponenten zu analysieren. Dies soll im Rahmen des Gesamtsystems erfolgen.
  7. Netzdienlicher Speicherbetrieb im Verteilnetz: Untersuchung und Erprobung relevanter Betriebsszenarien für Batteriespeichersysteme im Verteilnetz, um technische und wirtschaftliche Optimierungspotenziale zu identifizieren. Ziel ist es, die Einsatzmöglichkeiten von Batteriespeichern im Verteilnetz zu erweitern und ihre Rolle bei der Netzstabilisierung zu stärken.

Diese Ziele sollen durch die Kombination von innovativer Steuerungs- und Regelungstechnik, intelligenter Leistungselektronik und präziser Messtechnik erreicht werden, um einen Beitrag zur Transformation der Energienetze hin zu mehr Nachhaltigkeit und Zuverlässigkeit zu leisten.

Strukturbild der VISMA+
Abbildung: Strukturbild der VISMA+ mit einem möglichen Steuerungskonzept und dem viertem Brückenzweig

Netzdienliche Regel‐ und Steuerverfahren für 4‐Zweige‐Wechselrichter

(Teilprojekt)

In diesem Teilprojekt widmen wir uns der Realisierung und Implementierung eines völlig neuartigen Umrichterkonzeptes für den unsymmetrischen Betrieb. Der klassische Drei‐Zweige‐Umrichter (B6‐Schaltung) wird durch einen vierten Zweig ergänzt. Durch Einführung dieses vierten Zweiges ist es bei unsymmetrischer Einspeisung nicht mehr notwendig, den Mittelpunkt des batterieseitigen Zwischenkreises herauszuführen. Alle für den Betrieb notwendigen Verbindungen werden innerhalb der leistungselektronischen Endstufe bereitgestellt. Jede Phase wird unabhängig angesteuert. Es wird erstmals der am Institut entwickelte und zum Patent angemeldete VISMA‐Regelalgorithmus dreimal einphasig für den unsymmetrischen Betrieb implementiert (im Folgenden VISMA+ genannt). In enger Zusam‐ menarbeit mit PI wird zunächst ein Prototyp auf IGBT‐Basis getestet und in einem nächsten Schritt werden mehrere Versuchsträger auf der Basis neuartiger Silicon Carbide MOSFETs aufgebaut. Die entwickelten Regel‐ und Steueralgorithmen werden dann in einem eigenen Experimentallabor in der Forschungseinrichtung auf ihre Funktionalität, Robustheit und Zuverlässigkeit getestet. Hierfür steht eine Netznachbildung zur Verfü‐ gung, mit der mögliche Netzfehler nachgebildet werden können. Es sind weiterführende netzdienliche Ser‐ vices in deutlich höherer Qualität und Dynamik möglich, sodass durch die Entwicklungen phasenselektive Verzerrungsblindleistung, Spannungshaltung, Blindleistungsbereitstellung, dynamische Leistungsregelung sowie die VISMA‐Funktionalitäten (Bereitstellung von Momentanreserve, Dämpfung von Netzpendelungen) abgebildet werden können. In einem Netzabschnitt der HE wird ein Versuchsträger messtechnisch begleitet und unter realen Bedingungen getestet und bewertet.

Erwartete Projektergebnisse in ALene

  • batterieoptimierte Leistungselektronik für batterieschonenden und effizienten Betrieb (Long-Life and High-Efficiency)
  • netzdienliche Leistungselektronik durch VISMA+ Topologie und Regelung (Virtuelle Synchronmaschine mit Phasenselektivität)
  • performantes, präzises und intelligentes AC/DC-Mess- und Monitoringsystem (Netz- und Speichermonitoringsystem sowie Überwachungssystem)
  • Monitoring- und Leitsystem für netzdienliche Batteriespeichersysteme
  • Gesamtsystemarchitektur für netzdienliche Batteriespeichersysteme

Projektförderung

Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen der Förderbekanntmachung »Angewandte nichtnukleare Forschungsförderung« im 8. Energieforschungsprogramm »Innovationen für die Energiewende«.