A dynamic phasor real-time simulation based digital twin for power systems

• Ein auf Echtzeitsimulation dynamischer Phasoren basierender digitaler Zwilling für elektrische Netze

Mirz, Markus; Monti, Antonello (Thesis advisor); Benigni, Andrea (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center : ACS, Automation of complex power systems 82
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xiii, 130 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Durch die Verbreitung von Leistungselektronik und digitaler Regelungsalgorithmen werden elektrische Energiesysteme zunehmend interdisziplinär. Diese Entwicklung erfordert eine umfassende Prüfung neuer Geräte und Algorithmen vor dem Einsatz im Feld, da Stromversorgungssysteme äußerst zuverlässig sein müssen. Pilotprojekte liefern wertvolle Erkenntnisse, bieten aber nicht die Flexibilität und Reproduzierbarkeit von simulationsbasierten Testumgebungen. Daher wird das Konzept des digitalen Zwillings, eine äquivalente Software-Simulation physikalischer Objekte, in der Produktentwicklung immer wichtiger. Durch die Ausführung in Echtzeit wird das Spektrum der durch Simulation unterstützbaren Entwicklungsstufen weiter vergrößert, da der digitale Zwilling mit Hardware-Prototypen in Hardware-In-the-Loop (HIL) Experimenten und mit Automatisierungssystemen gekoppelt werden kann. Die Zunahme von Leistungselektronik, welche Signale mit größerer Bandbreite einspeist, als auch größere Systeme im Zusammenhang mit der Vernetzung nationaler Netze erschweren jedoch die Simulation moderner Stromnetze in Echtzeit. Die maximale Systemgröße könnte durch eine verteilte Echtzeitsimulation erhöht werden, was aufgrund der kleinen Zeitschritte, die für Elektromagnetisch-Transiente (EMT) Simulationen, welche typischerweise bei der Berücksichtigung der Netzdynamik eingesetzt werden, eine Herausforderung darstellt. Eine Alternative ist die Vereinfachung des Simulationsmodells und die Berücksichtigung anderer Zeitkonstanten, um die benötigten Rechenressourcen zu reduzieren. Heutige Simulationslösungen sind jedoch hoch spezialisiert auf eine oder wenige Zeitkonstanten und die damit assoziierten Modellierungsmethoden, wie beispielsweise EMT oder quasi-stationäre Phasoren. Simulationsmodelle zwischen verschiedenen Lösungen zu migrieren ist schwierig aufgrund der Vielfalt an Modellierungsmethoden, Computertechnologien und Eingangsdatenformaten. Diese Arbeit stellt den Dynamic Phasor Ansatz zur Echtzeit-Simulation von Energiesystemen vor, um die Proportionalität zwischen dem Simulationszeitschritt und der höchsten simulierbaren Frequenz in betrachteten Signalen zu beseitigen. Insbesondere für Leistungselektronik und geographisch verteilte Echtzeitsimulation ist dies eine interessante Eigenschaft. Allerdings wird die Echtzeitausführung und die Simulation im großen Maßstab durch die größere Anzahl von Variablen erschwert, wenn mehrere Dynamic Phasors zur Darstellung eines einzigen physikalischen Signals verwendet werden. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein neuer Simulator für elektrische Netze entwickelt, der traditionelle Netzkomponenten und Leistungselektronik integriert, zwei Bereiche, die in der Dynamic Phasor Literatur üblicherweise getrennt behandelt werden. Der Simulator zerlegt das Systemmodell in Subsysteme, die jeweils eine Teilmenge der Netzknoten und der betrachteten Frequenzbänder aufweisen. Folglich wird eine Datenabhängigkeitsanalyse durchgeführt, um einen Zeitplan für die Lösung dieser Subsysteme zu bestimmen und die Vorteile von Parallelisierung zu nutzen. Die Skalierbarkeit des Simulators wird dargestellt für Modelle mit einer großen Anzahl von elektrischen Knoten und einem breiten Frequenzspektrum, wie es typisch ist für detaillierte Leistungselektronikmodelle. Weitere Beispiele demonstrieren den Vorteil von Dynamic Phasors gegenüber EMT-Simulationen in Bezug auf die Genauigkeit für größere Simulationszeitschritte. Letztendlich bietet die entwickelte Lösung dem Anwender die Flexibilität, die Simulation in Richtung kleinerer Simulationszeitschritte und eines hohen Detailgrads oder großer Systeme zu optimieren, ohne Modelle und Eingabedaten verändern zu müssen.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Automation of Complex Power Systems [616310]