Das FfE-Netz-Simulationsmodell GridSim

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Das FfE Verteilnetz-Simulationsmodell "GridSim" ist ein Simulationsmodell zur detaillierten Betrachtung von Verteilnetzen auf Basis von Lastflussberechnungen. Durch die umfangreiche Abbildung des elektrischen Energiesystems auf Verteilnetzebene können die Auswirkungen vielfältiger, dezentraler Erzeugungs- und Verbrauchssysteme auf das Verteilnetz bestimmt werden. Der Name des Simulationsmodells leitet sich aus dem englischen Wort "grid" für Stromnetz und "sim" kurz für Simulation ab.

Die Historie

Das Simulationsmodell wurde an der FfE zur Analyse und Bewertung der Veränderungen und Herausforderungen, welche im Rahmen der Energiewende auf die Verteilnetze zukommen, entwickelt. Die folgende Abbildung zeigt eine Übersicht der Projekte in denen GridSim entwickelt und angewendet wurde. Der Grundstein hierfür wurde im Rahmen der eGAP-Projekte gelegt. Das Ziel dieser Projekte war es die Auswirkungen einer höhere Durchdringung von Elektrofahrzeugen (SmartGrid @GAP) sowie von Prosumenten mit PV-Anlagen, Hausspeichersystemen und Elektrofahrzeugen (Sun2Car @GAP) auf die Verteilnetze in Garmisch-Partenkirchen zu bewerten. Ebenso wurden Möglichkeiten zur Netzoptimierung mittels regelbarer Ortsnetztransformatoren (rONT) und Spannungslängsregler untersucht (Smart Grid Controller @GAP).

 

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Abbildung 1: Die Historie des FfE-Verteilnetzmodells GridSim

Im Projekt Merit Order Netz-Ausbau (MONA) 2030 wurde das Modell um den Wärmesektor und die damit verbundenen Komponenten Wärmepumpen und elektrische Speicherheizungen (auch Nachtspeicherheizungen genannt) erweitert. In MONA wurden auch mit Berücksichtigung dieser Erweiterungen zahlreiche Netzoptimierende Maßnahmen (NoM) in das Modell implementiert und systematisch an Hand realistischer Typnetze miteinander verglichen.

Aktuell wird das Modell in C/sells eingesetzt um den Flexibilitätsbedarf in der Demonstrationszelle Altdorf zu ermitteln. Hierfür werden reale Netzdaten aus der Mittel- und Niederspannungsebene sowie die zugehörigen Netzbelastungen in GridSim integriert und der berechnete Flexibilitätsbedarf an die zu entwickelnde Flex-Plattform „Alf“ übergeben.

Im Projekt eXtremOS wird durch Simulationen die aus dem Verteilnetz bereitstellbare Flexibilität ermittelt und an das Energiesystemmodell des europäischen Energiesystems und Übertragungsnetzes - ISAaR -  übergeben werden, um dort Flexibilität aus dem Verteilnetz abrufen zu können ohne dessen Netzrestriktionen zu verletzen.

Im Projekt München elektrisiert (Me) ist es geplant, die Netzbelastung durch Elektromobilität in München zu bewerten. Hierfür werden verschiedene Varianten zur Nutzung der Ladeinfrastruktur (z. B. zu Hause laden, Laden beim Arbeitgeber oder öffentliches Laden) in GridSim integriert und deren Netzbelastungen ermittelt.

 

Wofür eignet sich das Simulationsmodell GridSim?

Mit GridSim können folgende Fragestellungen beantwortet werden:

  • Welche Netzbelastungen verursachen Elektrofahrzeuge oder Wärmepumpen bei hoher Marktdurchdringung im Verteilnetz?
  • Welche Auswirkungen hat eine zunehmende Vermarktung von dezentralen Kleinanlagen?
  • Inwiefern erhöhen (funktionale) Stromspeicher die Aufnahmekapazität der Stromnetze für erneuerbare Energien?
  • Kann dezentrale Erzeugung zukünftige Verbraucher versorgen?
  • Welche Netzoptimierenden Maßnahmen sind in welchem Netz und Szenario am effektivsten und günstigsten?
  • Welche Auswirkungen haben unterschiedliche NoM auf die lokalen CO2-Emissionen?
  • Wie hoch ist die maximal in das Netz integrierbare Erzeugungsleistung bzw. ab welchem Zubau erneuerbarer Energien muss das Netz verstärkt werden?
  • In welchem Maß können Verteilnetze Systemdienstleistungen für überlagerte Spannungsebenen bereitstellen?
  • Welche Gleichzeitigkeitsfaktoren entstehen durch unterschiedliche Betriebsweisen und in Abhängigkeit der Anzahl für Klassen von Verbrauchern wie beispielsweise Elektrofahrzeuge?

Durch die Kombination aus Energiesystemmodell für Verteilnetze, welches eine detaillierte energetische Betrachtung (Fokus: Strom) der im Verteilnetz angeschlossenen Anlagen und Komponenten inkl. verschiedener Betriebsweisen bzw. Ladesteuerungen ermöglicht, und der dreiphasigen Lastflussberechnung des zugehörigen Netzgebiets, ist es möglich die obigen Fragestellungen umfassend zu analysieren. In Tages- oder Jahressimulationen mit Zeitschrittweiten von einer Minute bis zu einer Stunde können vielschichtige Analysen und Auswertungen erstellt werden. Die umfassende und mit Standardwerten vorbelegte Parameterauswahl (< 350) ermöglicht eine einfache und effiziente Szenarienerstellung sowie eine intuitive Nutzung von GridSim. Die Definition der Parameter erfolgt mittels einer strukturierten, grafischen Bentutzeroberfläche, siehe Abbildung xx. Zur Variation von Parametern können Fallunterscheidungen verwendet werden oder basierend auf einem Basisszenario mehrere voneinander abweichende Simulationsszenarien abgeleitet werden.

 

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Abbildung 2: Die grafische Oberfläche ermöglicht eine einfache Szenarioerstellung

Methodik

Zu Beginn der Simulation wird eine Netztopologie ausgewählt. Es kann wahlweise ein reales Netz, ein basierend auf einer Clusterung typisches reales Netz oder ein synthetisches Netz mit den zugehörigen Netzkomponenten und deren Kennwerten betrachtet werden. Im nächsten Schritt werden den Anschlussknoten im Niederspannungsnetz Gebäude mit einer oder mehreren Wohneinheiten (basierend auf Parametern oder Siedlungsstrukturen) zugewiesen. Ein exemplarisches Netzgebiet in der Niederspannung ist in Abbildung 1 dargestellt. Jeder Wohneinheit werden ein dreiphasiger elektrischer Haushaltslastgang und ein Wärmebedarf zugewiesen.

Zusätzlich können jedem Gebäude Komponenten wie Elektrofahrzeuge, PV-Anlagen, Stromspeicher oder Wärmepumpen zugeteilt werden. Diese Komponenten werden zu Beginn der Simulation nach gewissen Kriterien zufällig (aber reproduzierbar) oder nach festen Tabellen auf die Gebäude verteilt und mit je einem Erzeugungsgang bzw. Fahrprofil verknüpft. Für sämtliche dieser zusätzlichen Komponenten können bei der Konfiguration der Simulation Szenarien definiert und eine Vielzahl von Steuerungsmöglichkeiten gewählt werden. Steuerungsmöglichkeiten sind beispielweise die Eigenverbrauchserhöhung mit Stromspeicher oder eine spannungsgeführte Regelung zur Vermeidung von Spannungsbandverletzungen am Netzanschlusspunkt. Durch eine Kopplung der GridSim an das FfE-Regionenmodell können zahlreiche reale, regional hochaufgelöste energiewirtschaftliche Daten zur Verteilung der Komponenten verwendet werden.

 

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Abbildung 3: Schematisches Netzgebiet inkl. der modellierbaren Komponenten

Anschließend wird im Simulationsdurchlauf für jeden Zeitschritt die Residuallast je Gebäude unter Berücksichtigung der Regelungen der Einzelkomponenten berechnet. Basierend auf dieser Residuallast-Matrix wird mit Hilfe einer Lastflussberechnung der aktuelle Netzzustand bestimmt. Hierbei werden alle Spannungen, Ströme und Betriebsmittelauslastungen berechnet. Diese Ergebnisse fließen je nach gewählter Regelungsweise direkt in die Regelung der Komponenten (z. B. rONT) ein oder werden gespeichert.

In den Auswertungen kann somit am Ende bestimmt werden, an welchen Positionen es im Netz zu kritischen Zuständen kommt. Daraus kann abgeleitet werden, ab welcher Leistung (Last oder Erzeugung) eine NoM eingesetzt werden sollte.

Neben den Netzzuständen werden die Lastgänge aller Komponenten und bei Speichern die Ladezustände berechnet und gespeichert. Basierend auf diesen Daten können nach Abschluss der Lastflussberechnungen Energiebilanzen des gesamten Netzgebiets, Auslastungen der Netzkomponenten oder äquivalente Vollzyklen von Speichern erstellt bzw. errechnet werden. Ebenso können typische, statistische Ladelastgänge abhängig von den gewählten Ladesteuerungen sowie CO2-Bilanzen des Netzgebietes berechnet werden.

Da die Verteilung der Komponenten im Netzgebiet, z. B. als Extremfall alle Erzeuger am Strangende, einen sehr großen Effekt auf die Simulationsergebnisse hat, werden alle Szenarien mit unterschiedlichen Verteilungen mehrfach berechnet. Ab einer gewissen Anzahl an Verteilungen können statistisch fundierte Bewertungen von Netzauswirkungen bei einer bestimmten Durchdringung der Komponenten getätigt werden. Zusätzlich kann in Extrem-Fällen überprüft werden, ob beispielsweise eine NoM auch in diesem Fall wirksam ist. In Abbildung 2 ist der schematische Simulationsablauf dargestellt.

 

Jahressimulation mit Lastflussberechnung

Abbildung 4: Schematischer Ablauf der Simulation in GridSim

Im Anschluss an die Simulation erfolgt eine automatisierte mehrstufige Auswertung der Simulationsergebnisse, bei der sowohl Statistiken errechnet als auch Abbildungen erstellt werden. Diese Auswertungen werden in der ersten Stufe je Zufallsverteilung erstellt und zusätzlich in einer zweiten Auswertungsstufe zusammengefasst um somit statistisch aussagekräftige Ergebnisse für das betrachtete Szenario zu errechnen.

Die folgenden Abbildungen zeigen expemplarische Auswertungen:

Weitere Informationen:

 

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