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Verbundprojekt CoNDyNet -
Kollektive Nichtlineare Dynamik Komplexer Stromnetze





VERBUNDPROJEKT CoNDyNet2 (2019-2021):


Zum Gelingen der Energiewende müssen neue Flexibilitätsoptionen geschaffen werden, die zu einem bedeutenden Teil in den Verteilnetzen entstehen werden. Daraus ergeben sich zum einen ein enormer Ausbaubedarf auf der Verteilnetzebene, zum anderen völlig neue Herausforderungen für die Betriebsführung. War es in der Vergangenheit noch möglich, Stabilitätsprodukte ortsunabhängig zu denken, so zeigt sich schon heute an der stark gestiegenen Zahl der netzbedingten Redispatch Maßnahmen, dass diese Strategie in der Zukunft nicht mehr praktikabel ist. Mit der steigenden Zahl an dynamischen Akteuren in den Netzen ist es nicht mehr möglich, diese isoliert zu analysieren, so dass ihre kollektive Dynamik in den Vordergrund rückt. Die kollektive Dynamik von wechselrichterdominierten Stromnetzen stellt damit eines der zentralen ungelösten Forschungsprobleme der Energiewende dar. So muss die Frage nach der Erbringung der Momentanreserve in zukünftigen wie gegenwärtigen Netzen beantwortet werden. Aber auch die Frage, wie sich nichtlineare Störungen sowie stochastische Fluktuation und Ausfalls-Kaskaden in zukünftigen Netzen ausbreiten werden, und wie sich eine Anfälligkeit für solche Störungen vorhersagen und verringern lässt, sind weitgehend ungelöst. Die Konsequenzen solcher Effekte gehen oft weit über die Dynamik von Verteilnetzen hinaus und betreffen gekoppelte Teilsysteme in Systemen, also auch den Betrieb und die Planung von Stromnetzen auf allen Ebenen sowie die Kontrolle von Fluktuationen aufgrund verschiedener Ursachen (Verbraucher, Einspeiser, Handel). Auch bei Fragen nach dem Einfluss von Marktstrukturen und dezentraler Regelung auf kollektive dynamische Eigenschaften besteht weiter großer Forschungsbedarf, um die förderpolitischen Ziele einer weitreichenden Dekarbonisierung des Elektrizitätssektors zu erreichen.

Das Verbundvorhaben CoNDyNet setzt sich mit dieser Fragestellung aus mathematisch-systemischer Sicht auseinander und bringt dabei das Methodenspektrum aus der theoretischen Physik, Mathematik und Elektrotechnik zum Tragen. Damit wurde in den letzten Jahren ein weltweit einzigartiger Forschungszweig eröffnet. Die Zielstellung des CoNDyNet-Projektes und die zentrale Forschungsfrage des neuen Forschungsbereiches, der aus dem Projekt hervorgegangen ist, bestehen darin, allgemeine Prinzipien und theoretische Grundlagen für das Verständnis der kollektiven nichtlinearen Dynamik von elektrischen Energienetzen zu entwickeln, um damit zu einem Gelingen der Energiewende beizutragen.

Konkret werden besonders fluktuationsgetriebene Systeme und Wechselrichterdynamiken betrachtet, sowie die Arbeiten zur Frequenzstabilität um die Spannungshaltung erweitert und für erfolgreiche und breite Anwendbarkeit konsolidiert. Damit wird angestrebt, die Ergebnisse gerade auch für Verteilnetze relevant zu machen. In CoNDyNet1 konnte gezeigt werden, dass, im Gegensatz zu weit verbreiteten Annahmen, Leitungsverluste die kollektive Dynamik von Stromnetzen deutlich verändern. Für diese und ähnliche Fragen der Verteilnetzdynamik arbeiten wir in CoNDyNet2 an einem grundlegenden Verständnis und einer experimentell verifizierbaren Theorie. Hierbei werden eine Reihe von dynamischen Phänomenen, die bisher nur angeschnitten werden konnten, ins Zentrum der Untersuchung gerückt. Speziell spielen der Einfluss von Delays, Stochastik, gleichzeitige Frequenz- und Spannungsfluktuationen und der Einfluss dezentraler Marktdynamik auf kollektive Netzdynamik eine zentrale Rollen.

Die Verbundpartner arbeiten an fünf Themengebieten:

Thema I: Nichtlineare Dynamik und Stabilität: Detaillierte Modellierung, Mathematische Analyse und Komplexität
Die Methoden, die in CoNDyNet1 erfolgreich entwickelt wurden, werden von uns in CoNDyNet2, um näher zur Verwertung zu kommen, auf realistischere Dynamik verallgemeinert. Dazu werden von uns Modelle für Wechselrichter entwickelt und diese Modelle experimentell verifiziert. Um solche realistischen Modelle einer mathematischen Analyse zugänglich zu machen, werden Methoden angewendet und weiterentwickelt, die es erlauben, solche detaillierten elektrotechnischen Modelle und Messdaten auf Frequenz/Spannungs-Oszillatoren abzubilden. Das ermöglicht es, auch die Interaktion von Spannungs- und Frequenzdynamik sowie das Ober-, Grund- und Unterschwingungsverhalten zu untersuchen. Mithilfe solcher Modelle können aufbauend auf den in CoNDyNet 1 entwickelten Methoden Netzwerkmotive identifiziert werden, die destabilisierend wirken, und darauf basierend mathematisch rigorose Stabilitätskriterien abgeleitet werden.
Ein dabei bislang wenig erforschter Aspekt, der gegen Ende von CoNDyNet 1 identifiziert wurde, ist, dass die Leitungsverluste einen dramatischen Einfluss auf die Stabilität des Systems haben können. Dieser Einfluss wird eingehend untersucht. Neue methodische Entwicklungen sind für den Umgang mit Delays, also verzögerten Reaktionen von Wechselrichtern auf Störfälle, notwendig. Hierzu gibt es in der theoretischen Physik als auch in CoNDyNet1 erste Resultate, die zeigen, dass solche Delays sowohl destabilisierend als auch stabilisierend wirken können. Auch hier entwickeln wir komplementär zueinander die Stabilitätsbedingungen für einzelne Wechselrichter als auch systemische Stabilitätskriterien.
In der zweiten Projektphase wird es dank des neuen Partners TU Clausthal (TUC) und der Entwicklung hin zu realistischen Modellen auch möglich sein, wichtige Aspekte der entwickelten Theorien systematisch experimentell zu verifizieren.

Thema II: Optimierung von Dynamik, Netzwerkstruktur und Ökonomie
Direkt an die Ergebnisse aus CoNDyNet 1 anknüpfend untersuchen wir, wie die dynamischen Eigenschaften und kollektiven Phänomene optimiert und wie dynamische und kollektive Netzwerkeigenschaften zum Beispiel bei der Optimierung ökonomischer Größen berücksichtigt werden können. Damit werden auch Themen wie Zielkonflikte und lokale vs. kollektive Optimierung behandelt. Eine Standardfrage in der Betriebsführung und Ausbauplanung von Stromnetzen ist die Analyse der ökonomisch günstigen Verteilung der Einspeisung im Netz durch "Optimal Power Flow"(OPF) Berechnungen. Diese liegen der Netzanalyse in PyPSA zugrunde. Wir wollen dieser OPF Berechnung Stabilitätskriterien wie N-1 beibringen, die momentan in der ökonomischen Analyse ignoriert werden.
Eine weitere Optimierungsfrage, die auf den Ergebnissen zu Leitungsverlusten aufbaut, ist, ob neue Technologien wie Hochtemperatursupraleiter auch bei der Betrachtung von Stabilitätskriterien Vorteile bringen. Neben den OPF-Berechnungen stellt sich auch die Frage nach dem Ausbau von Verteilnetzen. Hier zeigen sich viele neue dynamische Probleme, und die Untersuchung des Wechselrichterverhaltens wird zumindest eine erste Analyse kritischer Punkte mit verteilnetzspezifischer Optimierung erlauben. Weiterhin betrachten wir grundlegende Fragen zum Netzwerkdesign im Hinblick auf kollektive nichtlineare Dynamiken und damit im Hinblick auf Netzbetrieb und -ausbau. Künftig ist auf Energiemärkten mit einem wachsenden Anteil an Arbitrage zu rechnen, so dass deren Einfluss auf stabile Preisverteilungen untersucht werden soll. Ein weiterer Schwerpunkt ist deshalb der wechselseitige Einfluss von Ökonomischer Optimierung und physikalischer Netzstabilität, da sich das Verhalten der Märkte und Marktteilnehmer potenziell destabilisierend auswirken kann. Hier spielen Zielkonflikte zwischen Kosten und Risiko eine Rolle. Auch hierzu wurden erste Grundlagen in CoNDyNet1 gelegt, an die wir anknüpfen.

Thema III: Stochastische Dynamik und Steuerung auf verschiedenen Zeitskalen
In CoNDyNet1 wurde die intrinsische Dynamik des Systems, sowie die Ausbreitung und Struktur von globalen Fluktuationen sowie lokalen Störungen auf das Gesamtsystem untersucht. Es Konnte gezeigt werden, dass die genaue Struktur der Störungen und Fluktuationen einen bedeutenden Einfluss auf die Reaktion des Systems hat. In einer zweiten Förderperiode liegt ein wesentliches Augenmerk auf der weiteren Erforschung diesen Aspekte. Die Analyse selbst erhobener Frequenzdaten wird fortgesetzt, dazu wird eine Datenbank an Zeitreihen aus verschiedenen Netzen aufgebaut, die der Forschungs- und Anwendergemeinschaft zur Verfügung gestellt werden wird. In diesen Datenreihen werden insbesondere die statistischen Eigenschaften und Ursachen großer Frequenzsprünge analysiert. Um diese empirischen Arbeiten theoretisch zu untermauern und nichtlokale Einflüsse abschätzen zu können, werden die Arbeiten zur Ausbreitung von Störungen und Fluktuationenin Netzen fortgesetzt. Daneben wird die statistische Charakterisierung der Fluktuation erneuerbarer Energiequellen auf allen Zeitskalen und deren Ausbreitung im Netz weiter untersucht. Solche Charakterisierungen existieren bislang nur für einzelne Windturbinen und PV-Anlagen auf der Sekundenskala; sie sollen nun deutlich erweitert werden.

Thema IV: Kaskaden und Strukturelle Eigenschaften
In CoNDyNet1 wurden bereits wesentliche Erkenntnisse über Kaskaden in Stromnetzen gewonnen. Diese strukturverändernden Störungen untersuchen wir weiter und entwickeln sie mit Hilfe neuer Methoden aus dem maschinellen Lernen zu praxistauglichen Prädiktoren. Daneben steht die Rekonstruktion unbekannter struktureller Eigenschaften, die insbesondere in nicht gut vermessenen Verteilnetzen eine Schlüsselrolle spielt, im Fokus.

Thema V: Implementierung und Weiterentwicklung PyPSA/DPSA
Um die Ergebnisse von CoNDyNet einer breiten Gemeinschaft von Anwendern aus Industrie und Wissenschaft zugänglich zu machen, werden fortlaufend die verwendeten Methoden in PyPSA eingepflegt. Da PyPSA bereits jetzt eine weltweit eingesetzte Softwareplattform ist, kann sofort ein weiter Kreis an Nutzern erreicht werden. Um neue dynamische Aspekte, die nicht direkt in PyPSA gerechnet werden können, abzubilden, wird der Prototyp DPSA aus CoNDyNet1 zu einem vollen dynamischen Analysepacket weiterentwickelt, der State-of-the-Art Methoden der dynamischen Simulation erstmals für Stromnetze anwendbar machen wird. Neue Softwarepakete beinhalten Funktionalität zu Netzwerkdesign und -inferenz, Zustandsschätzung und Vorhersage von Störungseinflüssen. Die gesamte entwickelte Software wird als OpenSource veröffentlicht.






VERBUNDPROJEKT CoNDyNet1 (2014-2017):

Im Rahmen des Verbundprojektes CoNDyNet1 haben theoretische und angewandte Wissenschaftler sowie Industriepartner in enger Zusammenarbeit grundlegende Kriterien zur Stabilität, Ausfallsicherheit, Risiken und Marktanbindung zukunftsfähiger Stromnetze erarbeitet Die umfassende Versorgung mittels erneuerbarer Energiequellen im gesamten europäischen Raum standen dabei im Fokus.
Eine verlässliche Stromversorgung und damit eine stabile Verteilung elektrischer Energie ist heute für alle Bereiche unserer Gesellschaft essentiell. Konventionelle Energieversorgungssysteme sind zentral organisiert und werden auch weitgehend zentral kontrolliert. Dieses Funktionsprinzip steht durch den Umbau der Stromerzeugung vor großen Herausforderungen, weil die Einbindung erneuerbarer Energien kleinteilige, heterogene und dezentrale Erzeugung mit sich bringt, die zudem von Fluktuationen geprägt und nur eingeschränkt vorhersagbar ist. Mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Primärenergien wird eine systemübergreifende Betrachtung der kollektiven Dynamik des Stromnetzes unter Berücksichtigung von Fluktuationen und stärkerer Marktanbindung unerlässlich. Insbesondere müssen mehrfach und gleichzeitig wirksame, nichtlineare Rückkopplungen im Netz verstanden werden, damit das Netz vorhersagbar und kontrollierbar wird.
In dem Verbundprojekt wurde ein tiefgehendes Verständnis der dynamischen Phänomene in komplexen, dezentral organisierten Stromnetzen erlangt sowie wichtige Eckpfeiler für neue grundlegende Konzepte zum Netzbetrieb und -ausbau der Verteil- und Übertragungsnetze, von der regionalen bis zur gesamteuropäischen Ebene, erarbeitet. Hierzu entwickelten die Forscher mathematische Methoden, erweiterten Resultate der Nichtlinearen Dynamik und der Statistischen Physik. Diese kombinierten sie mit Modelluntersuchungen und Simulationsstudien der Elektrotechnik und untersuchten kritische Netzzustände, Risiko-Szenarien und Optimierungsoptionen. Schließlich ergründten sie Umsetzungsmöglichkeiten ihrer Ergebnisse für eine effiziente Netzausbauplanung und robuste Netzkontrolle auch in Zusammenarbeit mit angewandten Forschungseinrichtungen und Industriepartnern.
Im Verbund aus Instituten der angewandten und der Grundlagenforschung strebten die Forschungspartner ein fundamentales Verständnis der kollektiven Dynamik komplexer Stromnetze im Hinblick auf mögliche Anwendungen auf Stabilität, Robustheit, Effizienz und Risiko-Minimierung im Netzbetrieb, bei Netzplanung und Markteinbindung an. Hierzu erweiterten und entwickelten sie neuartige physikalisch-mathematische Theorien und Modelle, Analysemethoden sowie Simulationen und betrachten Aspekte der Systemintegration und der ökonomischen Bewertung.

Ein wichtiges Gesamtziel war, ingenieurwissenschaftliche und physikalischen Konzepte mit der sich entwickelnden Theorie komplexer Netzwerke zu vereinen und die Methoden und Erkenntnisse für Anwendungen auf zukunftsfähige Stromnetze nutzbar zu machen. Die wissenschaftlichen Ziele des Verbundes gliederten sich in vier Bereiche und verschiedene Unterbereiche:

(Verzahnung der einzelnen Arbeitsbereiche. Grafik: PIK.)
In Teil I hat die Grundlagen mathematischer Modelle und theoretischer Konzepte für die Dynamik komplexer Stromnetze (d.h. dezentraler, heterogener Netze mit fluktuierenden, auch über neuartige Marktmechanismen angekoppelten, Verbrauchern und Erzeugern) erarbeitet. In Teil II untersuchten die Forscher auf dieser Basis wie Dynamik und Betriebsführung auch bei starken Fluktuationen und mit Marktanbindung effizient und dynamisch robust gestaltet werden kann. In Teil III behandelten die Wissenschaftler, wie man Netzstrukturen effizient gestalten, erweitern und gegen Risiken schützen kann. Schließlich eruierten sie in Teil IV die Systemintegration und ökonomischen Aspekte basierend auf den Methoden und Ergebnissen der anderen Teilbereiche.

Die Meilensteine des Projekts im Überblick:
- Grundlegende kollektive statische Herausforderungen, insbesondere in Hinblick auf Dezentralisierung, Risiken durch Ausfälle, und Fluktuationen auf kurzen und langen Zeitskalen
- Theoretische und konzeptionelle Grundlagen zum stabilen Netzbetrieb und dessen Risiken
- Dynamische Instabilitäten in einfachen Modellen und dann in detaillierteren Standardanwendungen
- Modellerweiterungen im Austausch mit Anwendungspartnern in Richtung auf konkrete praktische Fragestellungen (z. B. Mittelspannungsnetze, Maßnahmen zur Unterdrückung kollektiver Instabilitäten)
- Feedback zu Studien einfacher Modelle und Ausarbeiten konkreter komplexer Modelle
- Analyse der systemanalytischen Auswirkungen alternativer Netzausbauten auf das Energiesystem