Smarte Wechselrichter als Schlüsselkomponente des zukünftigen elektrischen Energiesystems

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1 Smarte Wechselrichter als Schlüsselkomponente des zukünftigen elektrischen Energiesystems Prof. Dr.-Ing. Christof Wittwer, Fraunhofer ISE Prof. Dr.-Ing. Marc Hiller, KIT, ETI Dr. Marco Jung, Fraunhofer IEE FVEE Jahrestagung 2018 Berlin 17./

2 Smarte Wechselrichter als Schlüsselkomponente des zukünftigen elektrischen Energiesystems Agenda: Energiesystem, Integration PV Strukturveränderung im System: Systemstabilität, leistungselektronische Umrichter, PV- und Batteriewechselrichter Systemdienstleistungen und die aktive Rolle des Wechselrichters Kommunikationskonzept für Smart Grid Smart Market Forschungsprojekte zur Netzintegration von Vernetzung von Stromrichtern Batteriewechselrichter Fraunhofer ISE, 1MW, EU Netfficient

3 Zubau leistungselektronischer Erzeugung und Lasten Fraunhofer ISE, Integration von Wind und Sonne führt zu hoher Dynamik im Netz Stromrichter unterstützen zunehmend die Systemstabilität Sie erfassen und regeln den Netzzustand und sind zunehmend vernetzt

4 Trends und Herausforderung bei der Strukturveränderung State-of-the-art Netzstruktur Zentrale Erzeugung im Kraftwerk Unidirektionaler Lastfluss Erzeugung folgt Last Zentralisierte Einsatzplanung Zentralisierte Top-Down-Struktur Künftige Netzstruktur Dezentrale Erzeuger, Verteilung von Erzeugung und Last Bidirektionaler Lastfluss EE-Erzeugung unabh. von Last Dezentraliertes Netzmanagement Dezentralisierte bottom-up Struktur (public/private) erfordert neue Funktionalität und Upgrades (Grid Codes) KIT, Hiller

5 Trends und Herausforderungen an Wechselrichter Energiewende führt zu mehr Dezentralisierung der Erzeugung Wind- und PV-Anlagen und Speicher werden in allen Spannungsebenen integriert: ( LV,MV,HV) Neue Anforderungen für die Leistungselektronik, um Netzstabilität zu unterstützen (Frequenz/Spannungsregelung, Netzaufbau, Kommunikation) Neue HVDC Systeme, neue Wechselrichter für die Mittelspannung (MV) mit zukunftsweisenden Eigenschaften bzgl. Effizienz und Zuverlässigkeit Neue Schaltungstopologien und Halbleiterelemente (SIC/GaN etc) ermöglichen neue leistungsfähige Lösungen und ersetzen alte Technologie Leistungselektronik und Digitalisierung sind Key Enabler HV-SIC 15kV für Mittelspannung, Fraunhofer ISE

6 Systemdienstleisungen SDL von Wechselrichtern Abnehmende Verfügbarkeit konventioneller Kraftwerke als Blindleistungsquelle Wechselrichter (WR) stellen Blindleistung für die statische Spannungshaltung bereit Wechselrichter stellen Wirkleistung frequenzabhängig bereit, vgl. Technische Anschlussrichtlinie VDE-FNN-AR4110) Wechselrichter unterstützen dynamische Netzstützung, z.b. LVRT Systemdienstleistungen (SDL) werden durch Einsatz von Batterien erheblich umfangreicher, z.b. Regelleistungsbereitstellung (PRL) Kommunikative Einbindung der WR für Netzbetrieb, Markt und Betreiber EU-PlanGridEV

7 Systemdienstleistungen SDL für den Netzbetrieb Systemstabilität: Frequenz, Spannung, Trägheit Blindleistung: lokale Spannungshaltung: Q(U), Q(P) Blindleistungsmanagement: Vorgabe: Q, cos(phi) StatCom: Entkopplung von P und Q Bereitstellung Fraunhofer IEE, TestLab 20 kv 110 kv Parkregler BMWi-PV-Wind-Symbiose TAR: Scheinleistungshalbkreis P-Q-Statik

8 Systemdienstleistungen für den Netzbetrieb (Q) Beispiel: Wind&PV-Park mit Bereitstellung von Blindleistung Q Der Netzbetreiber kann Blindleistung durch Vorgabe Qset anfordern, wenn die Anlagen Wirkleistung produzieren Die Verknüpfung von Wind und PV- Parks führen zu einer hohen Verfügbarkeit der Blindleistungsbereitstellung BMWi-PV-Wind-Symbiose

9 Blindleistungsbereitstellung von WR und Last Statische Spannungshaltung WR oder elektronische Last liefert Blindleistung und gewährleistet damit die Einhaltung des Spannungsbandes bei kritischer Belastung 230V Q Netzausbau ggf. nicht erforderlich, deutlicher Zubau von EE-Anlagen möglich 207V Unteres Spannungsband (90%) P + Q Fraunhofer IEE, Smarte Wechselrichter (WR) erlauben Spannungsbegrenzung im Verteilnetz

10 Statische Spannungshaltung im Netz Statische Spannungshaltung, Q(U) Blindleistung durch Spannungsmessung Q(P): Statiken zur Blindleistungsbereitstellung in Abhängigkeit der Wirkleistung FNN 2017

11 Dynamische Spannungshaltung im Netz EE-Anlagen leisten einen wichtigen Beitrag zur Bereitstellung des notwendigen Kurzschlussstroms Umsetzung der Mittelspannungsrichtlinie, siehe Netzstudie DENA Bei Spannungseinbruch muss der Wechselrichter weiterhin Blindstrom einspeisen, Fault Ride Through (FRT), um das Netz stützen BDEW DENA Netzstudie I

12 FVEE Jahrestagung 2018: Die Energiewende smart und digital Dynamische Spannungshaltung (FRT) im Störfall Bei Spannungseinbruch muss der Wechselrichter weiterhin Blindstrom einspeisen, Fault Ride Through Bei entsprechender Auslegung der Stromrichter sind auch mehr als 100% des Nennstroms möglich (mehr Silizium) Spannungseinbruch, 3 Phasen Messung Fraunhofer IEE: Spannungsmessung im FRT Fall Strom/Blindstrom bei der Störung Fraunhofer IEE: Strommessung im FRT Fall

13 Spannungseinprägende Wechselrichter im Inselund Verbundnetz SelfSync basiert auf konventionelle Statiken (f(p)- und U(Q)-Charakteristik) ff = ff 0 ssss 1 PP mit ssss 1 = ff NN PP NN UU = UU 0 ssss 2 QQ mit ssss 2 = UU NN QQ NN Die Phasenvorsteuerung erhöht die Stabilität und die dynamischen Eigenschaften Fraunhofer IEE

14 Bidirektionale Wechselrichter für den Batteriebetrieb: Gleichrichterstufe USV mit Netzdienstleistung SiC-MOSFET Modul Leistungsbereich pro Einheit 100 kw Schaltfrequenz AC/DC und AD/AC Betrieb 99 Wirkungsgradmessung SiC-MOSFET 98,5 Wirkungsgrad η [%] 98 97, ,5 Schaltfrequenz = 48kHz (49,1kHz) Ausgangsleistung [W] Fraunhofer IEE

15 Smarter Wechselrichter (EMS) für das Batteriesystem Erfassung des Netzzustands (Spannung und Frequenz) Erbringung von Primärregelleistung PRL Eigenstromoptimierung Teilnahme an Speicherpools, Aggregation WR liefert Regelenergie Fraunhofer ISE, Dissertation 2018

16 Vernetze Wechselrichtersysteme, Gateway Kommunikation erforderlich für Netz, Markt und Anlagenbetrieb Fraunhofer ISE, Energiegateway

17 Kommunikationskonzept für intelligente Betriebsführung im Stromnetz Integration von dezentralen Energieanlagen durch standardkonforme Kommunikation Erfassung des Netzzustands (Spannung und Frequenz) über den Wechselrichter Forecasting extern (PV,Markt) und intern (Last) Lokale Einsatzoptimierung Steuerung und Zugriff auf die Komponenten Fraunhofer ISE, OpenMuc Softwareframework

18 Kommunikationskonzept für intelligente Betriebsführung im Netz Bis heute: Rundsteuerung mittels Schaltkontakten Vernetzung ohne Schutzprofil: Angriffsgefährdung BSI-Konforme Smart-Metering Architektur für Zugriff auf Wechselrichter und Zähler, vgl. SINTEG-C/Sells CLS-Schnittstelle für die Ansteuerung von Wechselrichtern Cyber-Security Technologie erforderlich für Smart Grids Gateway Administrator Aurora-PMU Traditionelle Ansteuerung von WR im Verteilnetz 3 Befehl zum Öffnen der TLS-Kanäle 2 Nach Prüfung der Priorisierung Weiterleitung der Anfrage an zuständigen GWA 5 C L S 4 Öffnen des TLS-Kanals TLS HAN /CLS WAN Fraunhofer ISE, BSI-Konforme Kommunikation C/Sells 4 Öffnen des TLS-Kanals 1 Steuerbefehl vom CLS- Regelmanagement CLS-Regelmanagement (aktiver EMT) Schaltanfrage an CLS- Regelmanagement Berechtigter Akteur

19 ICT Gateways zur Integration von dez. Energieanlagen Support of communication protocols IEC 61850, IEC , DLMS/COSEM, M-Bus, IEC , ASN.1, SML Web interface for configuration and visual feedback BMWi-PV-Wind-Symbiose

20 Fazit: Smarte Wechselrichter als Schlüsselkomponente des zukünftigen elektrischen Energiesystems Wechselrichter und leitungselektronische Umrichter dominieren zunehmend den Netzbetrieb. Der Netzzustand wird dezentral erfasst (f,p,q,harmonische) Die Auslastung der Netze wird durch gezieltes Blindleistungsmanagement erhöht, smarte Wechselrichter unterstützen statisch und dynamisch das Netz Die Rollenteilung von dezentralen, transienten Regelungsprozessen und der Vernetzung der Komponenten ist Gegenstand der Forschung Standardisierte, sichere und hochverfügbare Kommunikation ist für das Smart Grid und den modernen Marktbetrieb erforderlich: Datenmodelle helfen, die komplexe Struktur zu automatisieren Der Netzbetrieb wird zunehmend komplexer, Beobachtung und Schätzung des Netzzustands und verlässliche Prognosen sind erforderlich Das Marktdesign verändert sich durch die Möglichkeiten der Digitalisierung, z.b. erfordert der P2P Handel eine präzise Abstimmung im Netzbetrieb (BDEW- Ampel) Leistungselektronische Komponenten ermöglichen die Integration von elektrischem und Kommunikationsnetz

21 Vielen Dank! Christof Wittwer