Cross-Forming Control: «Unser Algorithmus könnte ein Schlüssel zur Integration von mehr erneuerbaren Energien sein»

Maitraya Desai, könnten Sie uns einen kurzen Überblick über Ihre
aktuelle Forschung geben?
Natürlich. Meine Forschung konzentriert sich auf die Stabilitätsfragen von Energiesystemen mit einem hohen Anteil von Wechselrichter-gekoppelten, dezentralen Energiequellen. Ich führe dynamische Netzanalysen mit detaillierten Modellen durch, um die Stabilität zu untersuchen und Anpassungen an Regelungsschemata zu erforschen, damit ein stabiler und zuverlässiger Betrieb heutiger und künftiger Energiesysteme gewährleistet ist.

Eine Ihrer jüngsten Entdeckungen könnte einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Können Sie die Erfindung beschreiben und erzählen, wie es dazu gekommen ist?
Die heutigen Stromnetze arbeiten mit Wechselstrom (AC), der mit einer Frequenz von 50 Hz (z.B. Europa) oder 60 Hz (z.B. USA) synchronisiert ist. Traditionell wurde diese Synchronisation durch physisch rotierende, synchrone Generatoren aufrechterhalten. Da diese Generatoren (von Kraftwerken) jedoch schrittweise zugunsten umweltfreundlicher, dezentraler erneuerbarer Energiequellen wie Solar und Wind abgeschafft werden, stehen wir vor einer Herausforderung. Diese Quellen erzeugen von Natur aus keinen Strom mit einer festen Frequenz – Solarstrom erzeugt Gleichstrom (DC), Wind kann Wechselstrom mit variabler Frequenz erzeugen. Daher verwenden wir Wechselrichter, um sie mit dem Stromnetz zu koppeln. Das Problem ist, dass sich heutige Wechselrichter an die Netzfrequenz anpassen und wie Stromquellen verhalten. Wenn es nun keine Frequenz gibt, an die man sich halten kann, muss man die Steuerung des Wechselrichters so umprogrammieren, dass er sich wie eine Spannungsquelle verhält und seine eigene Frequenz erzeugt. In diesem Bereich wurde viel geforscht, und diese Steuerung wird als «grid-forming» bezeichnet. Aber bei Netzfehlern – sagen wir, wenn ein Baum eine nicht isolierte Übertragungsleitung berührt – wird jedoch ein starker Stromstoss benötigt. Im Gegensatz zu synchronen Generatoren können halbleiterbasierte Wechselrichter solche Stromstösse nicht bewältigen und müssen ihren Ausgangsstrom begrenzen, was selbst bei diesen netzbildenden Wechselrichtern zu Instabilität aufgrund der Synchronisationsverluste führt. Zusammen mit Dr. Xiuqiang He, Dr. Linbin Huang – beides ehemalige Postdocs und Senior Scientists am Automatic Control Laboratory – und Prof. Florian Dörfler haben wir eine Steuerungsstrategie entwickelt, die auch im Fall von Netzfehlern ihr netzbildendes Verhalten der Spannungsquelle in grösstmöglichem Mass aufrechterhält. Wir nennen das Cross-Forming Control.

Könnten Sie erklären, wie diese Regelungsmethode funktioniert?
Im Wesentlichen haben wir erkannt, dass wir zur Aufrechterhaltung der Stabilität zwei Dinge unabhängig voneinander anschauen müssen: Den Spannungswinkel, der für die Synchronisierung sorgt, und die Stromstärke, die sicherstellt, dass der Wechselrichter nicht überlastet wird. Dank dieser entkoppelten Regelungsstruktur kann sich der Wechselrichter auch bei Fehlern (weitestgehend) wie eine Spannungsquelle verhalten, die Stabilität aufrechterhalten und so viel Strom wie sicher möglich liefern.