SENSE Lab – Smart Grid Laboratory¶
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Herzlich willkommen auf den Seiten des SENSE Lab – Smart Grid Laboratory! Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Informationen rund um das Labor.
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- SENSE Lab – Smart Grid Laboratory
Das SENSE Lab – Smart Grid Laboratory widmet sich Fragestellungen, die im Zusammenhang mit der Energiewende und der daraus resultierenden Notwendigkeit zur gezielten Steuerung von Erzeugung und Verbrauch insbesondere elektrischer Energie entstehen. Dafür wurde ein realer Niederspannungsabgang aufgebaut, an welchen Komponenten des Verbrauchs, der Speicherung und der Erzeugung angeschlossen sind. Die Steuerung wird durch sowohl dezentrale Einheiten als auch eine übergeordnete Koordinationsstruktur vorgenommen. Damit ist es möglich, verschiedene Steuerungskonzepte im Bereich Netzbetrieb und Energiemanagement umzusetzen.
Für das zukünftige Last- und Erzeugungsmanagement sind flexibel einsetzbare Komponenten von besonderem Interesse. Dabei ist sowohl die zeitliche Flexibilität als auch die Variabilität der zu beeinflussenden Parameter von Bedeutung. Diesem Umstand wird im SENSE Lab sowohl durch die Integration einer Vielzahl verschiedener energietechnischer Komponenten als auch eine flexible Zusammensetzung durch standardisierte Schnittstellen, die teilweise Eigenentwicklungen sind, Rechnung getragen.
Ein verbindender Umrichter zum übergeordneten Netz der TU Berlin ermöglicht den netzgebundenen und Inselbetrieb in einem sogenannten Microgrid. Darüber hinaus dient ein digitaler Echtzeitrechner sowohl der Abbildung benachbarter Niederspannungsbezirke als auch des übergeordneten Netzes. Testszenarien wie Inselnetzbildung, Spannungsabfälle oder auch signifikante Frequenzeinbrüche, welche zur Trennung von dezentralen Erzeugungsanlagen im Nieder- und Mittelspannungsnetz führen, können in einem sicheren und flexiblen Laborumfeld erforscht werden.
Eine Möglichkeit zur Visualisierung und Steuerung des Labors ist derzeit über unsere Remote Experiments Seite im Aufbau.
Das Labor¶
Der Laboraufbau besteht aus einem dreiphasigen Wechselspannungs-(AC) und einem dazu parallel verlaufenden Gleichspannungs-(DC) Netz. Das AC-Netz verfügt über einen Neutralleiter, die Maximalwerte für Spannung und Strom betragen 400 V und 160 A. Die Frequenz ist im Inselbetrieb variabel zwischen 0,1 bis 400 Hz einstellbar. Im DC-Netz sind maximal 300 V und 350 A zulässig.
Die Struktur des Netzes ist variierbar. Der im Grundaufbau bestehende Ring kann unterbrochen werden, wodurch einzelne Stichleitungen resultieren. Die Komponenten sind je nach Bedarf zu- und abschaltbar, die Position ihrer Netzintegration ist ebenfalls flexibel. Die Anbindung der Komponenten ist in sowohl energie- als auch informations- und kommunikationstechnischer Hinsicht standardisiert und erfolgt über sogenannte Plug-and-supply-Schnittstellen.
Teile der Informationsverarbeitung und Steuerung im Netz werden durch die den einzelnen energietechnischen Komponenten zugeordneten Gateway-Rechner übernommen, eine übergeordnete Instanz der Erfassung, Speicherung und Verarbeitung von Daten übernimmt die Steuerungsaufgaben im Gesamtkontext. Eine der wichtigsten Zielstellung der Forschungsarbeit im Labor ist die Untersuchung verschiedener Steuerungsalgorithmen auf ihre Anwendbarkeit für Netzbetrieb und Energiemanagement, unter dem Blickwinkel sich verändernder Energienetze mit erhöhter fluktuierender Erzeugung aus erneuerbaren Quellen sowie einer fortschreitend dezentralen Energieversorgung. In nachstehender Abb. 1 sind die wesentlichen Systemkomponenten in einem zusammenfassenden Gesamtschema dargestellt. Das Schema in Abb. 2 zeigt den groben Aufbau der integrierten Informations- und Kommunikationsstruktur.
- Abb. 1: Gesamtschema des Laboraufbaus
- Abb. 2: IKT-Schema des Labors
Die Netzanbindung¶
Ein Umrichter bindet den Niederspannungsabgang des Labors an das übergeordnete Netz der TU Berlin an. Das Labornetz kann somit sowohl netzgekoppelt als auch im Inselbetrieb eingesetzt werden. Die Rückspeisefähigkeit erlaubt die Einspeisung vom Labornetz in die höheren Netzebenen. Mehr erfahren ...
Ein Netzsimulator, umgesetzt mithilfe eines digitalen Echtzeitrechners, kann sowohl benachbarte Niederspannungsnetzbezirke als auch das übergeordnete Netz abbilden. Dadurch können die Auswirkungen anderer Netzteile auf das Labornetz und die sich ergebenden Rückkopplungseffekte untersucht werden. Mehr erfahren ...
Ein wichtiges Detail im SENSE Lab sind die standardisierten Schaltschränke zur flexiblen und sicheren Einbindung der Komponenten in das Labornetz, die sogenannten Plug-and-Supply-Schnittstellen. Sie dienen außerdem dafür, den vorhandenen Niederspannungsring an definierten Stellen aufzutrennen, sodass sich verschiedenen Netztopologien einstellen lassen. Mehr erfahren ...
Die Erzeuger¶
Derzeit sind zwei Erzeugungseinheiten an das Labornetz gekoppelt, welche die Wandlung der Energie aus erneuerbaren Quellen simulativ abbilden. Dies hat den Vorteil der Unabhängigkeit von den realen Witterungsbedingungen.
Der DC-Erzeugungssimulator ist hardware-technisch so implementiert, dass – je nach verwendetem Simulationsmodell – eine Vielzahl von Erzeugern mit Wechselspannungsausgang in das Labornetz integriert werden kann. Momentan wird er dazu genutzt, eine Photovoltaikanlage sowie ein Brennstoffzellensystem zu simulieren. Mehr erfahren ...
Der AC-Erzeugungssimulator ist hardware-technisch so implementiert, dass – je nach verwendetem Simulationsmodell – eine Vielzahl von Erzeugern mit Gleichspannungsausgang in das Labornetz integriert werden kann. Momentan wird er dazu genutzt, eine Windenergieanlage zu simulieren. Das Modell eines motorischen Mikro-BHKW wird derzeit erarbeitet. Mehr erfahren ...
Darüber hinaus sind zwei neue Erzeugungseinheiten geplant: Eine Photovoltaik-Anlage mit verschiedenen Modultechnologien auf dem Dach des 8-geschossigen EN-Gebäudes wird zukünftig Solarenergie in das Labornetz einspeisen. Daneben ist die Installation eines Brennstoffzellensystems vorgesehen, dessen thermische Energie einem separaten Wärmesystem im Labor zugeführt wird.
Die Speicher¶
Die Speichereinheiten werden derzeit durch zwei Komponenten integriert, die beide aus sicherheitstechnischen Gründen in einem außerhalb des Gebäudes befindlichen Container untergebracht sind.
Die Vehicle-to-Grid-Station besteht im Wesentlichen aus einem Teststand, in welchem eine Fahrzeugsystembatterie in einer Temperaturkammer extremen klimatischen Bedingungen ausgesetzt wird. Diese Batterie kann sowohl be- als auch entladen werden und puffert somit die überschüssige Erzeugung insbesondere aus erneuerbaren Energiequellen ab. Mehr erfahren ...
Der Ultrakondensator (SuperCap) dient dem Netz – im Gegensatz zur Fahrzeugbatterie – als schnell reagierender Kurzzeitspeicher und sorgt somit für die Spannungs- und Frequenzqualität im Netz. Momentan ist er an das AC-Labornetz angebunden. Mehr erfahren ...
Die Verbraucher¶
Die Verbraucher werden im zukünftigen Smart Grid wichtige Aufgaben übernehmen müssen, um einen Teil der fluktierenden Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen abzufangen. Daher wird ihnen im SENSE Lab besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Die entstehenden Lasten werden für verschiedene Lastgruppen simuliert. Dies betrifft zum einen den Bereich privater Haushalte – dargestellt durch den Geräteaufbau für sowohl ein Ein- (EFH) als auch ein Mehrfamilienhaus (MFH). Zum anderen wird der Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD) durch eine Simulationseinheit für ein Kleingewerbe adressiert. Die Erforschung zur Integration von Elektrofahrzeugen und Ladeinfrastrukturen in Niederspannungsnetzen wird neben dem bereits beschriebenen V2G-Batterie-Teststand über eine separate Ladestation für Elektrofahrzeuge (electric vehicle, EV) erfasst.