AP 5.2 – Systemtheorie von Erzeugern und Lasten
Zielsetzung
Um eine systemtheoretische Modellierung des Verteilnetzes unter Vorgabe einer maximalen Integration erneuerbarer Energien bei gleichzeitiger Sicherstellung der Systemstabilität zu ermöglichen, werden in diesem Arbeitspaket die detaillierten Eigenschaften der Energiequellen und ihre Auswirkung auf das Netz erforscht und modelliert. Dabei stehen die für erneuerbare Energien typischen Kurzzeitschwankungen (Minuten und kürzer) im Zentrum des Interesses. Die in der Abbildung gezeigten Fluktuationen der Solarstrahlung in Oldenburg an einem typischen Sommertag belegen beispielhaft, wie stark die Kurzzeitschwankungen im Vergleich zu den längeren Zeitintervallen ausgeprägt sind. Die Dynamik dieser Fluktuationen muss für einen stabilen Netzbetrieb mit hohem Anteil an erneuerbarer Energien bekannt sein und berücksichtigt werden.
Methodik
Die notwendige Methodenentwicklung des Arbeitspakets betrifft die effektive stochastische Modellierung der erneuerbaren Erzeugung, Optimierungskonzepte auf MicroGrid-Hintergrund sowie stochastische Analysen zur Quantifizierung der Systemoptimierung. Zunächst wird in diesem Zusammenhang die Erzeugung aus Wind- und Solarenergie mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung mittels Satellitendaten, Bodenmessungen und Wettermodellen charakterisiert. Anschließend werden stochastische Modelle zur Beschreibung der hochfrequenten Leistungsproduktion für verteilt aufgestellte Solar- und Windenergieanlagen erstellt, sodass eine effektive Erzeugungsdynamik bei vorgegebenen Aufstellungsparametern analysiert werden kann. Abschließend wird die Gesamtdynamik eines Verteilnetzes vor dem Hintergrund der Optimierung von Multiparametersystemen analysiert und charakterisiert. In enger Zusammenarbeit mit Arbeitspaket 5.1 werden dabei vor dem Hintergrund anomaler (intermittenter) Statistiken neue Optimierungsmethoden entwickelt und bewertet.
Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft den Einfluss einer vorüberziehenden Wolke auf die gemessene Solarstrahlung am Boden (links: Einstrahlungszeitreihe 15 min vor und nach Bildaufnahme, Mitte: Satellitenbild mit Wolkenzugvektor, rechts: Wolkenkamera am Boden).
Ergebnisse
Die starken Kurzzeitschwankungen der Solarstrahlung werden in der folgenden Abbildung durch die Verteilung der Inkrementstatistik (logaritschmische Darstellung) veranschaulicht. Die Änderung der Einstrahlung innerhalb eines Zeitintervalls τ ist hier auf die Standardabweichung σ normiert und weist für kurze Zeitschritte τ = 1 s an einem Punkt Schwankungen bis zu 30 σ auf. Für größere Zeitschritte τ = 10 s und τ = 1000 s sowie räumliche Mittelung über mehrere Strahlungssensoren verringern sich die Extremwerte bezogen auf ihre Standardabweichung und ihre relative Häufigkeit nimmt ab. Die Verteilungen sind der Übersicht halber vertikal versetzt dargestellt und zur besseren Vergleichbarkeit um die Gauß-Verteilung ergänzt worden. Das Bild im Bild zeigt den Vergleich von Windenergie- und Solarstrahlungsschwankungen für Zeitschritte τ = 1 s.
Auf Messungen der Solarstrahlung basierend wurde ein stochastisches Modell entwickelt, das die natürlichen Schwankungen der Einstrahlung eines Standorts wiedergibt. Die folgende Abbildung zeigt links einen typischen Tagesgang der gemessenen Solarstrahlung (grün) und der theoretisch berechneten Einstrahlung im wolkenlosen Fall (schwarz), sowie rechts einen vergleichbaren stochastisch modellierten Tagesgang (grün) im Vergleich zur Einstrahlung im wolkenlosen Fall (schwarz). Natürlich kann der genaue Verlauf eines Tagesgangs auf diese Weise nicht rekonstruiert werden, aber es besteht nun die Möglichkeit, beliebig viele Tagesgänge zu modellieren und für Simulationen der Netzeinspeisung von Solarenergie zu verwenden.
Publikationen
- Milan, P., Wächter, M., Peinke, J.: Turbulent character of wind energy. Physical Review Letters. PRL 110, 138701, 2013.
- Tabar, M. R. R., Anvari, M., Lohmann, G., Heinemann, D., Wächter, M., Milan, P., Lorenz, E., Peinke, J.: Kolmogorov spectrum of renewable wind and solar power fluctuations. European Physical Journal Special Topics, 2014
- Tabar, M. R. R., Anvari, M., Wächter, M., Milan, P., Lohmann, G., Lorenz, E., Heinemann, D., Lorenz, E., Peinke, J.: Renewable Power from Wind and Solar: Their Resilience and Extreme Events, submitted.
Ansprechpartner
- Prof. Dr. Joachim Peinke
- peinkespamuni-oldenburg.de
- Dr. Detlev Heinemann
- detlev.heinemannspamuni-oldenburg.de
