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Modellierung, Optimierung und Regelung von Netzwerken heterogener Energiesysteme mit volatiler erneuerbarer Energieerzeugung

Die Realisierung der Energiewende führt zu heterogenen Energienetzen mit sehr vielen Energieerzeugern, Energieverbrauchern, Transport-, Umwandlungs- und Speicheranlagen. Sie sind gekennzeichnet durch volatilen Verbrauch und vor allem durch stark variierende Energieeinspeisung durch zahlreiche Wind- und Solaranlagen, die nur unter Unsicherheiten prognostiziert werden kann. Große zentrale Kraftwerke, die früher einen Großteil der Last übernommen haben und netzstabilisierend wirken, entfallen zunehmend. Der stabile und energieeffiziente Betrieb solcher komplexen heterogenen Netze mit hoher Volatilität ist nicht mehr mit den bisher benutzten auf Quasi-Stationaritäts-Annahmen beruhenden Verfahren zu gewährleisten. Erforderlich wird die Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des Netzes und seiner Komponenten.
Ziel dieses Verbundprojektes von vier akademischen und vier industriellen Forschungspartnern ist die Entwicklung neuer Methoden und Algorithmen der nichtlinearen beschränkten mixed-integer Optimal-Steuerung für den stabilen und energieeffizienten Betrieb von Energienetzen und ihrer Einzelkomponenten. Dynamisch zu optimieren sind große verkoppelte Netzwerke von DAEs, die die Volatilität in Bedarf und Erzeugung berücksichtigen, mixed-integer Entscheidungen zur Optimierung des Gesamtnetzwerkes wie Zu- und Abschalten und zustandsabhängige Unstetigkeiten der Dynamik durch systeminterne Mechanismen erlauben. Wichtige Voraussetzung ist die Echtzeitfähigkeit der Methoden auch für große Systeme auf kurzen Zeitskalen.

In Teilprojekt 2 werden Optimal-Steuerungsalgorithmen für NMPC von Energienetzen entwickelt. Teilprojekt  3 befasst sich mit den Methoden der zugehörigen Systemschätzung zum Einsatz in NMPC. Teilprojekt 4 befasst sich mit der Entwicklung mathematischer Methoden, die eine integrierte, effiziente und echtzeitfähige Optimalsteuerung erlauben. In Teilprojekt 5 werden programmbegleitende Aktivitäten für die die aktuellen Verbundprojekte des BMBF-Förderscherpunkts „Mathematik für Innovationen“ in den Bereichen „Gesundes Leben“ und „Energiewende“ durchgeführt.

Teilprojekt 1 befasst sich mit effizienten Verfahren der gemischt-ganzzahligen Optimalsteuerung unter Integration robuster Optimierungsansätze und erforscht die optimale Windparkbetriebsführung:

In einem Windpark kommt es zu aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Windturbinen. Ein Hauptproblem ist die Verringerung der elektrischen Leistungsabgabe von Windturbinen, die im Windschatten von einer oder mehreren anderen Windturbinen stehen. Die Abbildung, die mit der Software WFSim erstellt wurde, verdeutlicht das Phänomen der Windschatten. Eine Windturbine kann ihren eigenen Windschatten im geringen Maße durch die Änderung des sogenannten yaw-Winkels ablenken, sodass dahinter (in Windrichtung) stehende Windturbinen weniger Leistungseinbußen haben. Allerdings verringert sich durch diese Winkeländerung die eigene Leistungsabgabe und die Belastung der Rotorblätter erhöht sich. Ziel ist die Maximierung der Leistungsabgabe für den gesamten Windpark. (Der aktuelle Stand der Technik betrachtet nur eine einzelne Windturbine, aber nicht den gesamten Windpark.) Dieses Optimierungsproblem wird mithilfe von diskreter Optimierung gelöst. 
Dies beinhaltet auch auftretende Änderungen in der Topologie des Windparks durch Abschaltung einer Windturbine (z. B. für eine Wartung oder aufgrund einer Vereisung).

Ein weiteres Problem bei Windturbinen sind Ermüdungslasten. 
Wünschenswert ist eine Harmonisierung des Verschleißzustandes im gesamten Windpark. Im Fokus stehen dabei Turmschwingungen, die sich durch Änderung der Rotorblätterwinkel (pitch-Winkel) reduzieren lassen. 
Dadurch ändert sich allerdings auch die Leistungsabgabe. Das ist zu berücksichtigen, da das Energienetz auf eine verlässliche Leistungsabgabe des Windparks angewiesen ist. Für die echtzeitfähige und optimale Regelung der pitch-Winkel im gesamten Windpark muss ein Modell entworfen werden, das dynamisch und regelungstauglich ist. Das Optimierungsproblem wird dann mit Methoden aus der nichtlinearen Optimierung gelöst. Ebenfalls erstrebenswert ist in diesem Zusammenhang die Reduktion von Extremlasten durch Windböen.

Für eine optimale Windparkbetriebsführung sind präzise Informationen zum Windfeld unerlässlich. Das betrifft mindestens die mittlere Windrichtung und -geschwindigkeit sowie die Turbulenzintensität. Für eine genauere Bestimmung bieten sich Methoden aus der Parameteridentifikation an.

 

Teilprojekte

  • 05M18MBA | Teilprojekt 1: Effiziente Verfahren der gemischt-ganzzahligen Optimalsteuerung unter Integration robuster Optimierungsansätze | Technische Universität Braunschweig
  • 05M18VHA | Teilprojekt 2: Optimal-Steuerungsalgorithmen für NMPC von Energienetzen | Universität Heidelberg
  • 05M18VHA | Teilprojekt 3: Methoden der zugehörigen Systemschätzung zum Einsatz in NMPC | Universität Heidelberg
  • 05M18CKA | Teilprojekt 4: Entwicklung mathematischer Methoden, die eine integrierte, effiziente und echtzeitfähige Optimalsteuerung erlauben | Sondervermögen Großforschung beim Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • 05M18VHA | Teilprojekt 5: Programmbegleitende Aktivitäten | Universität Heidelberg