Power-Hardware-in-the-Loop als Reallabor für die Energiewende

Im Zuge der Energiewende gewinnen erneuerbare Energien wie Wind- und Solarkraft sowie elektrisch betriebene Verkehrsmittel zunehmend an Bedeutung. Für deren nachhaltigen Einsatz bedarf es fortschrittlicher Netztechnologien und leistungsfähiger Speichersysteme.

Stand der Technik

Eine Herausforderung stellt die Integration neuer Hardware-Komponenten, wie Batterien oder Ladestationen, in bestehende, oft hochkomplexe Netzumgebungen dar. Um den reibungslosen Betrieb sicherzustellen, müssen alle Komponenten miteinander verknüpft und vorab getestet werden. Beim Power-Hardware-in-the-Loop-Verfahren (PHIL) werden die zu prüfenden Komponenten nicht direkt in das echte System, sondern in einer Testanlage mit einer virtuellen Echtzeit-Systemsimulation eingebunden. So können sowohl reale Betriebsbedingungen als auch Fehlerfälle in einer kontrollierten Umgebung getestet werden.

Technologie

Das Institut für Technische Physik (ITEP) des KIT betreibt eine solche PHIL-Testanlage im Energy Lab 2.0. Auf der Anlage können neue Netzkomponenten, Netztopologien und Netztechnologien in einer virtuellen Simulationsumgebung in unterschiedlichen Betriebsmodi geprüft werden. Im 50 Mikrosekundentakt liefert der Simulator den Wert für Spannung bzw. Strom an der Stelle des fingierten Netzes, an der das Testobjekt angeschlossen ist. Dieses Signal wird an Leistungsverstärker gesendet, die diese Werte übersetzen und als tatsächliche elektrische Größen an das Testobjekt ausgeben. Das zu testende Objekt, z.B. eine Ladestation für Elektrofahrzeuge, „sieht“ so ein Stromnetz, aus dem es Leistung entnehmen und zurückspeisen kann. Diese Leistung wird gemessen und an den Echtzeitsimulator zurückgesendet, der sie im nächsten Rechenschritt berücksichtigt. Das simulierte Netz reagiert also auf das reale Testobjekt und umgekehrt.

Vorteile

Die Prüfszenarien sind reproduzierbar, um Ergebnisse auf diese Weise zu verifizieren und zu validieren. Komplexe Betriebssituationen lassen sich schnell digital anpassen, sodass Testobjekte ohne großen Zeit- und Kostenaufwand unter wechselnden Konditionen geprüft werden können. Neue Hardware-Produkte können vorab optimiert und schneller zur Marktreife gebracht werden. Eine Zusammenschaltung mit Solarfeld, Methanisierungsanlage oder Power-to-Liquid-Station ist im Reallabor möglich.

Optionen für Unternehmen

Die PHIL-Simulationsplattform des KIT unterstützt Forschende, Herstellfirmen und Systembetreibende dabei, Hardware-Zukunftslösungen für Energiesysteme zu analysieren, zu entwickeln und zu testen.