Wichtigste Erkenntnisse
- Durch Simulationstests werden versteckte Steuerungs- und Schutzprobleme erkannt, bevor sie in der Praxis auftreten.
- Echtzeit-Plattformen liefern prüfbare Nachweise für die Einhaltung von Netzkodizes, so dass Genehmigungen auf gemessenem Verhalten statt auf Annahmen beruhen.
- Elektromagnetische Transientenstudien zeigen die Wechselwirkungen zwischen Wechselrichtern in schwachen Netzen und schnellen Transienten auf und geben Hinweise für Einstellungen, die Anlagen bei Störungen am Netz halten.
- Hardware-in-the-Loop verschmilzt Softwaremodelle mit physischen Geräten und schafft Vertrauen, dass das integrierte System wie vorgesehen funktioniert.
- Wenn die Simulation zur täglichen Praxis wird, wird die Inbetriebnahme zu einer Bestätigung und nicht zu einer Entdeckung, was die Zuverlässigkeit und die Vorhersagbarkeit des Projekts verbessert.
Sie können keinem neuen Wechselrichter oder Regelungssystem im Netz vertrauen, bevor es sich nicht in einer realitätsnahen Simulation bewährt hat. Moderne Stromnetze sind so komplex und softwaregesteuert geworden, dass herkömmliche Prüfmethoden nicht mehr mithalten können. Die Betreiber stehen vor einem heiklen Spagat: Sie müssen schnell reagierende erneuerbare Energiesysteme integrieren und gleichzeitig die strengen Anforderungen an die Netzstabilität erfüllen.
Wenn man sich auf veraltete Planungsstudien oder minimale Feldtests verlässt, entstehen oft gefährliche blinde Flecken. Die Aufsichtsbehörden haben sogar davor gewarnt, dass das Netz anfällig sein kann, wenn nur das Nötigste getan wird, und dass bei Störungen möglicherweise wichtige Ressourcen verloren gehen. Wir glauben, dass ein simulationsbasierter Ansatz jetzt unerlässlich ist, um Innovation mit Sicherheit zu verbinden. Nur so können versteckte Probleme frühzeitig erkannt und Upgrades durchgeführt werden, die die Zuverlässigkeit verbessern und alle Normen erfüllen.
Herkömmliche Tests können die Zuverlässigkeit im komplexen Netz von heute nicht gewährleisten
Herkömmliche Planungsinstrumente und einmalige Feldtests können nicht vollständig vorhersagen, wie sich die heutigen Netzinnovationen unter Belastung verhalten werden. Viele der neuesten, auf Wechselrichtern basierenden Ressourcen arbeiten auf Zeitskalen, die in Mikrosekunden gemessen werden, also viel schneller als die Phänomene, die von traditionellen Studien zur transienten Stabilität erfasst werden. Herkömmliche Simulationen gehen von idealisierten Bedingungen und einer langsameren Dynamik aus, so dass sie die hochfrequenten Schalteffekte und Steuerungsinteraktionen nicht berücksichtigen, die auftreten, wenn Solarparks und Batteriesysteme auf Netzereignisse reagieren. Infolgedessen können Probleme wie Schwingungen, unerwartete Auslösungen oder Oberschwingungen bei der Entwurfsprüfung unbemerkt bleiben.
Die Folgen sind bei der Inbetriebnahme und im laufenden Betrieb zu spüren. Ingenieure werden oft von plötzlichen Wechselrichterabschaltungen oder einer falschen Schutzkoordination überrascht, wenn neue Anlagen zum ersten Mal ans Netz angeschlossen werden. In einer kürzlich durchgeführten Analyse wurde festgestellt, dass fast 27 % der Solaranlagen im Versorgungsbereich mit nicht konformen Einstellungen für die Fehlerüberbrückung betrieben wurden. Dies ist genau die Art von versteckten Fehlern, die bei vereinfachten Tests nicht erkannt werden. Die Behebung solcher Probleme in letzter Minute kann den Zeitplan des Projekts zum Scheitern bringen und, was noch schlimmer ist, die Zuverlässigkeit des Netzes untergraben, da das System für unnötige Ausfälle anfällig ist. Ohne eine strengere Testumgebung vor der Inbetriebnahme haben die Teams keine sichere Möglichkeit, neue Geräte und Kontrollsysteme vor der Inbetriebnahme auf Worst-Case-Szenarien hin zu überprüfen, wodurch eine riskante Lücke zwischen Innovation und zuverlässigem Betrieb entsteht.
Echtzeitsimulation bietet einen sichereren Weg zu Netzzuverlässigkeit und Konformität
Eine Echtzeit-Simulationsumgebung bietet Ingenieuren eine kontrollierte, risikofreie Spielwiese, um ihre Entwürfe zu testen. Anstatt zu hoffen, dass eine neue Steuerung oder ein neues Gerät wie vorgesehen funktioniert, können die Teams es in einem digitalen Zwilling des Netzes ausgiebig testen. Die wichtigsten Vorteile dieses simulationsbasierten Ansatzes sind
- Testen von Extremszenarien: Ingenieure können seltene, aber gefährliche Netzereignisse nachstellen (z. B. mehrphasige Fehler, plötzliche Stromausfälle oder Überspannungen durch Blitzeinschläge), ohne dass Kunden oder Anlagen in Gefahr geraten. Selbst die schwersten Transienten können in den Simulator eingespeist werden, um zu sehen, wie sich ein Entwurf bewährt - und das alles ohne das Risiko, einen Ausfall zu verursachen.
- Frühzeitige Erkennung von Fehlern: High-Fidelity-Modelle decken Instabilitäten und Steuerungsfehler auf, die bei oberflächlichen Tests unbemerkt geblieben wären. Die Entwickler erkennen Schwingungen, Zeitfehler und falsch konfigurierte Einstellungen während der Simulation, so dass diese Probleme lange vor der Installation behoben werden können. Das bedeutet keine unangenehmen Überraschungen mehr bei der Inbetriebnahme.
- Validierung der Einhaltung von Netzvorschriften: Detaillierte Simulatorergebnisse helfen dabei, zu bestätigen, dass neue Systeme die strengen Normen erfüllen. So kann beispielsweise das Ride-Through-Verhalten eines Wechselrichters im Niederspannungsbereich durch Beobachtung seiner vollständigen Kurvenform mit den gesetzlichen Anforderungen abgeglichen werden. Die aufgezeichneten Wellenformen und Leistungskennzahlen liefern den nachvollziehbaren Nachweis, dass die Zusammenschaltungsregeln eingehalten werden.
- Kürzere Projektzyklen: Die Echtzeitsimulation beschleunigt Tests und Iterationen erheblich. Die Abstimmung eines Regelalgorithmus mit einem digitalen Live-Netz verkürzt die Validierungszeit von Monaten auf Tage. Versorgungsunternehmen können in der Software mehrere Szenarien hintereinander evaluieren und so die früher wochenlange Versuch-und-Irrtum-Phase auf eine viel kürzere Entwicklungsphase verkürzen.
- Hardware-in-the-Loop-Realismus: Simulationsplattformen können physische Hardware (z. B. tatsächliche Wechselrichtersteuerungen oder Schutzrelais) direkt in die Testumgebung integrieren. Das bedeutet, dass die realen Geräte "denken", dass sie an ein aktives Netz angeschlossen sind, so dass die Teams überprüfen können, ob die Hardware und Software unter allen Bedingungen zusammenarbeiten. Jedes Gerät, das die Tests in der Schleife besteht, ist im Grunde genommen bereits für den Einsatz vor Ort zugelassen.
Mit dieser Art von rigorosen Testläufen können neue Netzkomponenten mit weitaus größerem Vertrauen in Betrieb genommen werden. Teams können innovative Lösungen wie erneuerbare Energien oder fortschrittliche Steuerungen einsetzen, da sie sich bereits in einem virtuellen Stromnetz bewährt haben. Die elektromagnetische Transientensimulation (EMT) hat sich zur Standardmethode entwickelt, um die Integration erneuerbarer Energien zu prüfen, bevor sie in das tatsächliche Netz integriert werden.
"Man kann keinem neuen Wechselrichter oder Regelungssystem im Netz vertrauen, bevor es sich nicht in einer realitätsnahen Simulation bewährt hat."
EMT-Simulation validiert die Integration erneuerbarer Energien unter realen Bedingungen
Die elektromagnetische Transientensimulation (EMT) reproduziert das detaillierte Verhalten von Energiesystemen auf Wellenformebene, was für die Prüfung erneuerbarer Energiequellen, die auf komplexe Weise mit dem Netz interagieren, von entscheidender Bedeutung ist. Mit diesem Ansatz können Ingenieure genau sehen, wie sich Solar-, Wind- und andere umrichterbasierte Generatoren in realistischen Netzszenarien verhalten werden.
Validierung der erneuerbaren Energien unter schwachen Netzbedingungen
Anlagen für erneuerbare Energien werden oft in Gebieten mit begrenzter Netzstärke angeschlossen, wo geringe Kurzschlusswerte und minimale Trägheit der Rotation die Stabilität zu einer Herausforderung machen. Die EMT-Simulation ermöglicht eine präzise Modellierung dieser "schwachen Netzbedingungen", so dass die Ingenieure die Steuerungseinstellungen feinabstimmen und die Stabilitätsspannen überprüfen können. So kann beispielsweise das Steuerungssystem eines Windparks bei starken Spannungseinbrüchen und Frequenzschwankungen getestet werden, um sicherzustellen, dass es Störungen übersteht, anstatt sich vom Netz zu trennen. Durch Experimente im Simulator können die Entwickler Wechselrichterparameter (wie Phasenregelkreisabstimmung oder Stromeinspeisungslogik) anpassen, um die Leistung zu optimieren, bevor das Projekt jemals mit einer realen Netzstörung konfrontiert wird. Das Ergebnis ist die Gewissheit, dass die neue Anlage für erneuerbare Energien auch in einem schwachen Netz die Netzregeln einhält und die Zuverlässigkeit aufrechterhält.
Erfassen schneller Sonnen- und Windtransienten
Die Leistung von Solar- und Windkraftanlagen kann sich mit einer Geschwindigkeit ändern, die die Netzanlagen an ihre Grenzen bringt. Eine vorbeiziehende Wolke kann dazu führen, dass die Leistung eines Solarparks innerhalb einer Minute um mehrere Dutzend Prozent schwankt, was zu Spannungsschwankungen führt, die von herkömmlichen Modellen möglicherweise übersehen werden. Die EMT-Echtzeitsimulation erfasst diese schnellen Transienten. Tatsächlich können Solarparks unter bestimmten Bedingungen mit Raten von etwa 30 % pro Minute ansteigen, und Simulationswerkzeuge ermöglichen es den Betreibern, diese plötzlichen Einstrahlungsänderungen in ihr virtuelles Netz einzuspeisen, um zu sehen, wie Spannungsregler, Wechselrichter und Energiespeicher reagieren. Ebenso werden plötzliche Windböen oder Turbinenumschaltungen in einem EMT-Modell realitätsgetreu dargestellt, wodurch Flicker, harmonische Verzerrungen oder Regelschwingungen, die abgemildert werden müssen, sichtbar werden. Dieser Detaillierungsgrad stellt sicher, dass Anlagen für erneuerbare Energien gegen die für die Natur charakteristischen schnellen Schwankungen robust sind.
Erfüllung von Zusammenschaltungsanforderungen mit Simulationsnachweisen
Jedes neue Wind- oder Solarprojekt muss strenge Anforderungen an die Zusammenschaltung erfüllen. Dazu gehören die Fähigkeit zur Fehlerüberbrückung, Spannungsunterstützung, Frequenzgang und ordnungsgemäße Schutzkoordination. Die EMT-Simulation bietet eine Möglichkeit, diese Fähigkeiten vor der Inbetriebnahme vor Ort zu demonstrieren. Ingenieure können die offiziellen Tests zur Einhaltung der Netzanschlussbedingungen virtuell durchführen, indem sie aufzeichnen, wie ein Wechselrichter auf vorgeschriebene Testereignisse (wie z. B. Niederspannungsüberbrückungssequenzen oder Frequenzabfälle) reagiert, und diese Wellenformen dann den Regulierungsbehörden als Nachweis vorlegen. In der Tat bestehen viele Netzbetreiber jetzt darauf, EMT-basierte Studien als Teil des Genehmigungsverfahrens für die Zusammenschaltung zu sehen. Dieser realitätsnahe Ansatz ebnet den Weg zur Einhaltung der Vorschriften und verringert das Risiko von Änderungen in der späten Entwurfsphase erheblich.
Echtzeitsimulationen sind heute unverzichtbar, um die Zuverlässigkeit des Netzes und die Einhaltung der Vorschriften zu gewährleisten
"Eine Echtzeit-Simulationsumgebung bietet Ingenieuren eine kontrollierte, risikofreie Spielwiese, um ihre Entwürfe zu testen.
Im modernen Netzbetrieb hat sich die Echtzeitsimulation von einem Luxus zu einer absoluten Notwendigkeit entwickelt. Sie ist der Dreh- und Angelpunkt, der es Versorgungsunternehmen ermöglicht, mit neuen Technologien zu innovieren und gleichzeitig die Stromversorgung aufrechtzuerhalten und alle Vorschriften einzuhalten. Wenn eine realitätsgetreue Simulation in den Kern der Planung und Prüfung integriert wird, können Ingenieure Upgrades schneller implementieren, unvorhergesehene Ausfälle vermeiden und die vollständige Einhaltung der Vorschriften bei jedem Schritt dokumentieren. Kurz gesagt: Projekte müssen nicht mehr auf das Beste hoffen", sondern haben einen konkreten Stabilitätsnachweis, bevor die Anlagen überhaupt in Betrieb gehen.
Diese simulationsorientierte Denkweise führt letztlich zu einem widerstandsfähigeren und anpassungsfähigeren Stromnetz. Netzbetreiber können ehrgeizige Integrationen von erneuerbaren Energien und fortschrittliche Steuerungssysteme in Angriff nehmen, ohne unbeabsichtigte Folgen befürchten zu müssen, da jedes Szenario im Voraus geprüft wurde. Da die Stromversorgungssysteme immer softwaredefinierter und dynamischer werden, erweist sich die Echtzeitsimulation als die Brücke, die kühne Innovationen mit unerschütterlicher Zuverlässigkeit verbindet. Indem die Branche rigorose Simulationen als unverzichtbar ansieht, stellt sie sicher, dass Zuverlässigkeit und Konformität auch bei einem raschen Wandel des Netzes unangetastet bleiben.
OPAL-RT-Perspektive auf simulationsgestützte Netzzuverlässigkeit
OPAL-RT ist ein Pionier, wenn es darum geht, Ingenieuren der Energiewirtschaft eine realitätsgetreue Echtzeitsimulation zugänglich zu machen, und setzt dabei auf die Notwendigkeit, Simulationen in den Vordergrund zu stellen. Seit mehr als zwei Jahrzehnten konzentriert sich das Unternehmen auf offene, leistungsstarke Plattformen, die es den Anwendern ermöglichen, präzise Netzbedingungen im Labor nachzubilden - von Transienten im Mikrosekundenbereich bis hin zu Netzereignissen im Multi-Megawattbereich. Wir arbeiten Hand in Hand mit Energieversorgern, Herstellern und Forschungseinrichtungen, um sicherzustellen, dass jede neue Steuerungsstrategie oder jedes neue Gerät vor dem Einsatz gründlich getestet werden kann. Auf diese Weise geht unsere Technologie direkt auf die Probleme ein, mit denen moderne Netzteams konfrontiert sind. Sie bietet einen sicheren Sandkasten für Tests in Extremszenarien, deckt Konstruktionsfehler frühzeitig auf und liefert detaillierte Nachweise für Compliance-Audits.
Dieses Engagement für eine simulationsorientierte Sichtweise beruht auf praktischen Erfahrungen. Wir haben immer wieder festgestellt, dass ein System, das unsere Hardware-in-the-Loop-Tests bestanden hat, auch im realen Netz zuverlässig funktioniert. Deshalb konzipieren wir unsere Lösungen so, dass sie sich nahtlos in die Entwicklungszyklen integrieren lassen, so dass die Simulation kein nachträglicher Gedanke ist, sondern eine kontinuierliche Unterstützung vom Konzept bis zur Inbetriebnahme. Indem wir Ingenieure in die Lage versetzen, frei zu experimentieren und gründlich zu validieren, tragen wir dazu bei, eine neue Ära der Netzinnovation voranzutreiben, die keine Kompromisse bei der Zuverlässigkeit oder den gesetzlichen Standards eingeht.
Die Konformitätsstandards für das Stromnetz sind anspruchsvoll. Sie erfordern den Nachweis, dass sich die Geräte und Kontrollsysteme bei allen Arten von Störungen innerhalb der vorgegebenen Grenzen verhalten. Die Echtzeitsimulation bietet eine Möglichkeit, diese Standards in einer kontrollierten Umgebung zu testen. Durch die Simulation von Fehlern, Frequenzabfällen und anderen Netzereignissen können Ingenieure überprüfen, ob ein neues Gerät (z. B. ein Wechselrichter oder Relais) die vorgeschriebenen Leistungskriterien einhält. Die Ergebnisse geben den Versorgern die Gewissheit und Dokumentation, dass sie die Netzvorschriften erfüllen, bevor sie neue Anlagen anschließen.
Die elektromagnetische transiente Simulation (EMT) wird von Betreibern verwendet, um erneuerbare Energiequellen sehr detailliert zu modellieren. Ein Versorgungsunternehmen kann beispielsweise ein EMT-Modell eines neuen Solarparks oder einer Windkraftanlage erstellen und es dann Szenarien wie schnellen Leistungsschwankungen oder Netzfehlern aussetzen. Der EMT-Simulator zeigt genau, wie die Wechselrichter und Steuerungen der erneuerbaren Anlage in diesen Szenarien reagieren. Die Betreiber nutzen diesen Einblick, um sicherzustellen, dass die Anlage keine Instabilität verursacht - sie können die Steuerungseinstellungen anpassen oder Geräte (wie STATCOMs oder Speicher) im Modell hinzufügen, bis die erneuerbare Integration zuverlässig funktioniert. Mit der EMT-Simulation können sie im Wesentlichen alle Probleme mit einem Projekt für erneuerbare Energien in einem digitalen Netz ausräumen, bevor es in Betrieb geht.
Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests bedeuten, dass ein echtes physisches Gerät in eine simulierte Netzschleife eingesetzt wird, um zu sehen, wie es sich verhält. In Stromversorgungssystemen bedeutet dies oft, dass tatsächliche Hardware - wie ein Schutzrelais, ein Regler oder sogar ein Solarwechselrichter - an einen digitalen Echtzeitsimulator angeschlossen wird. Der Simulator verhält sich wie das Stromnetz und speist das Gerät mit Spannungen und Strömen, als ob es sich um ein aktives System handeln würde. Auf diese Weise können die Ingenieure die Reaktion der Hardware auf Fehler, Schwankungen und Steuersignale in Echtzeit beobachten. HIL-Tests vereinen das Beste aus beiden Welten: Sie können echte Geräte unter unzähligen Bedingungen sicher testen, ohne das tatsächliche Netz zu gefährden.
Herkömmliche Netzstudien (wie Offline-Lastfluss- und instationäre Stabilitätssimulationen) vereinfachen viele elektrische Details und laufen oft langsamer als in Echtzeit. Die Echtzeitsimulation hingegen modelliert das Netz mit viel feineren Zeitschritten und kann die Simulation synchron mit der "Wanduhr"-Zeit ausführen. Das bedeutet, dass schnelle Transienten und Steuerungsinteraktionen erfasst werden können, die bei herkömmlichen Studien möglicherweise übersehen werden. Außerdem können Echtzeitsimulatoren direkt mit physischer Hardware oder Steuersystemen verbunden werden. Kurz gesagt: Herkömmliche Studien eignen sich hervorragend für langfristige Stabilitäts- und Planungsanalysen, aber die Echtzeitsimulation bietet eine genauere, dynamischere Nachbildung des Netzverhaltens für Test- und Validierungszwecke.
