Hierarchische Regelung von Multiskalensystemen am Beispiel resilienter zukünftiger elektrischer Energiesysteme

Dieses Projekt untersucht Regelungsmethoden für verteilte Systeme, die aus physikalisch gekoppelten Subsystemen mit nichtlinearen Dynamiken auf unterschiedlichen Zeitskalen bestehen und deren Ziele und Beschränkungen zeitlich variabel sind. Das Hauptziel besteht darin, hierarchische Regelungsansätze zu entwickeln, die Konsistenz der Regelungsstrategien auf verschiedenen Ebenen auch für transientes Verhalten sicherstellen und somit den Betrieb resilient auch für Störungen und Fehlerfälle aufrecht erhalten. Als motivierende Anwendung und Fallbeispiel zur Methodenentwicklung werden zukünftige elektrische Energiesysteme mit sehr hohem Anteil erneuerbarer Energien betrachtet. Der Betrieb dieser Systeme ist dem Trend ausgesetzt, dass Synchrongeneratoren mit großer Trägheit durch leistungselektronisch gekoppelte erneuerbare Erzeuger und Speichereinheiten ersetzt werden. Dies führt zu schnellerem Systemverhalten, geringerer Dämpfung und höherer Volatilität durch schwankende Verfügbarkeit erneuerbarer Energien, einer größeren Verteilung von Erzeugerknoten und häufiger wechselnden Betriebsbedingungen und Störungen. Diese Entwicklung stellt bestehende Regelungs- und Betriebsführungsansätze vor Herausforderungen, die auf entkoppelt betrachteten Zeitskalen vom Millisekundenbereich bis zur Day-Ahead-Planung entworfen werden und im Wesentlichen Regelungsansätze verwenden, die auf Basis von linearen Modellen für statische Referenzwerte ausgelegt sind. Um gefährliche kaskadierende Effekte über die Skalen aber auch über räumlich verteilte Knoten zu verhindern, sind dezidierte Gegenmaßnahmen erforderlich. Anstelle bestehender Ansätze wie Hardware-Maßnahmen oder Lastabwurf (im Fehlerfall) sollen in diesem Projekt skalenübergreifende Regelungskonzepte für den resilienten Betrieb mit folgender übergeordneter Zielsetzung entworfen werden:

1. Entwicklung von hierarchischen Regelungsprinzipien für Netzwerke mit physischer Kopplung, so dass Abhängigkeiten der Dynamiken auf verschiedenen Zeitskalen explizit und konsistent berücksichtigt werden,
2. Sicherstellung von Stabilität und Robustheit durch Regleradaption auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen und Beschränkungen sowie
3. die Untersuchung, inwieweit Resilienz für zukünftige Energiesysteme bei zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien und Auftreten von Fehlern durch Regelungsansätze garantiert werden kann.

Während das letzte Ziel explizit auf Energiesysteme abzielt, sind die beiden erstgenannten Punkte auch für andere Arten größerer Netzwerke relevant. Entsprechend zielt das Projekt darauf ab, fundamentale Erkenntnisse zur hierarchischen Regelung vernetzter Systeme beizutragen.