Stabilitätsbewertungen sind entscheidend für einen sicheren Übergang zu erneuerbaren Energiesystemen. Äquivalente dynamische Modelle aktiver Verteilnetze ermöglichen umfassende Stabilitätsstudien durch Reduzierung der Modellkomplexität und dadurch des Rechenaufwands. Dieses Paper stellt den General Clustering Approach (GCA) vor – eine neuartige Methode zur Erstellung äquivalenter Verteilnetzmodelle durch Aggregation von Erzeugern und Lasten. Der GCA wird in Szenarien mit unterschiedlichen Anteilen netzbildender Umrichter und Netzstärken validiert und mit drei etablierten Methoden (REI, TCA, STCA) verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die branchenübliche REI-Methode erhebliche Abweichungen aufweist und Instabilitäten häufig nicht erkennt, während der GCA alle Validierungsgrenzwerte erfolgreich unterschreitet.
Einleitung
Mit zunehmender umrichterbasierter Erzeugung müssen detaillierte Verteilnetzmodelle durch äquivalente Modelle ersetzt werden, um Stabilitätsstudien effizient zu halten. Bestehende Methoden sind:
- REI (Branchenstandard)
- TCA (technologiebasierte Clusterung)
- STCA (zusätzliche Berücksichtigung von Spannungssensitivitäten an Anschlussknoten netzbildender Umrichter)
STCA liefert gute Ergebnisse, ist aber nur für hohe Anteile netzbildender Umrichter (60 % der gesamten umrichterbasierten Erzeugung) validiert. Eine systematische Bewertung über verschiedene Anteile netzbildender/netzfolgender Umrichter und Netzstärken fehlte bisher.
Beiträge dieser Arbeit:
- Einführung des GCA, der die spannungssensitivitäts- und topologiebasierte Aggregation auf netzfolgende Umrichter und dynamische Lasten ausweitet.
- Quantitative Bewertung der Abweichungen zwischen detaillierten und äquivalenten Modellen (aggregiert mittels REI, TCA, STCA und GCA).
- Sensitivitätsanalyse über Anteile netzbildender Umrichter und Netzstärken.
- Nachweis, dass die übliche REI-Methode für Stabilitätsbewertungen umrichterdominierter Verteilnetze ungeeignet ist.
Modelle und Szenarien
12 Szenarien kombinieren Anteile netzbildender Umrichter (0 %, 20 %, 40 % und 60 % der gesamten umrichterbasierten Erzeugung) mit Netzstärken (Kurzschlussverhältnisse des überlagerten Übertragungsnetzes: 1,5 = schwach, 5 = mittel, 10 = stark). Die Last wird vollständig umrichterbasiert gedeckt. Pro Szenario werden Frequenzrampen, ein Spannungswinkelsprung und ein dreipoliger Kurzschluss simuliert. Das detaillierte Verteilnetz-Modell ist ein 10 kV Strahlennetz mit netzfolgenden und netzbildenden Umrichtern, dynamischen Lasten und konstanten Impedanzlasten.
Ergebnisse
Validierung mit mittlerem absoluten Fehler (Mean Absolute Error MAE < 0,17) und mittlerem Fehler (Mean Error ME innerhalb ±0,15), bezogen auf normierte Wirk‑/Blindleistungsabweichungen am Verteilnetztransformator zwischen detailliertem und äquivalentem Modell.
Methode
Nicht bestandene Szenarien (von 60)
Kernaussage
REI
45
erkennt Instabilitäten häufig nicht
TCA
21
Fehler wachsen mit Anteil netzbildender Umrichter
STCA
12
Fehler wachsen bei schwachen Netzen
GCA
0
erfüllt alle Grenzwerte
Abbildung 1: Heatmap der nicht bestandenen Validierungsmetriken (MAE und ME) für Wirk- und Blindleistungsabweichungen der evaluierten äquivalenten Modelle verglichen mit den korrespondierenden detaillierten Modellen
Modellkomplexität:
Der GCA reduziert die Knotenanzahl um 86 % und die Simulationszeit um 79 % gegenüber dem detaillierten Modell.
Methode
Anzahl Knoten
Simulationszeit (relativ)
Detailliertes Modell
195
100 %
REI
5
3 %
TCA
2
8 %
STCA
7
12 %
GCA
27
21 %
Abbildung 2: Wirk- und Blindleistungsfluss vom Übertragungsnetz in das detaillierte und äquivalente Verteilnetz. Das detaillierte Modell weist eine Instabilität auf, während das äquivalente REI-Modell stabiles Verhalten zeigt. Szenario: 60 % netzbildende Umrichter und ein Kurzschlussverhältnis von 5.
Abbildung 3: Wirk- und Blindleistungsfluss vom Übertragungsnetz in das detaillierte und äquivalente Verteilnetz. Das GCA-Modell bildet als einziges äquivalentes Modell das dynamische Verhalten des detaillierten Modells adäquat nach. Szenario: 100 % netzfolgende Umrichter und ein Kurzschlussverhältnis von 1,5.
Fazit
REI ist für Stabilitätsbewertungen umrichterdominierter Verteilnetze ungeeignet, da es dynamische Effekte nicht erfasst und Instabilitäten überdeckt. TCA und STCA sind nur in bestimmten Kombinationen von Netzstärke und Umrichteranteilen verlässlich.