Modellprädiktive Regelung für den optimalen Betrieb von hybriden elektrischen Inselnetzen

Abgelegene Inseln weltweit werden zunehmend zu hybriden Elektroenergiesystemen. Aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen werden erneuerbare Energiequellen und Speicher in elektrische Inselnetze integriert, die sich oft noch auf mit fossilen Brennstoffen betriebene Synchrongeneratoren stützen. Die schwankende und schwer vorhersagbare Verfügbarkeit der erneuerbaren Energien sowie die fehlende Anbindung an ein großes Verbundnetz stellen eine Herausforderung für den unterbrechungsfreien und wirtschaftlichen Betrieb elektrischer Inselnetze dar.

In dieser Arbeit wird hierzu ein Energiemanagementsystem (EMS) basierend auf einer modellprädiktiven Regelung (MPC) entwickelt. Ziel ist die Reduktion der Betriebskosten des Inselnetzes unter Einhaltung betriebsbedingter und sicherheitsrelevanter Nebenbedingungen. Das MPC-basierte EMS besteht aus einem Unit Commitment für die Optimierung des Langzeitfahrplans und einem Economic Dispatch, das auf einem detaillierten optimalen Lastflussproblem basiert, für die kurzfristigen Sollwerte der dezentralen Erzeugungseinheiten und Speicher. Für den zweistufigen MPC-Ansatz werden Vorhersagemethoden für den elektrischen Lastbedarf sowie die erneuerbare Energieerzeugung eingesetzt. Dadurch, dass Vorhersagesysteme Abweichungen zu den tatsächlich eintretenden Werten enthalten, stellen sie eine Unsicherheitsquelle in dem Betrieb elektrischer Inselnetze dar. Ein robuster MPC-Ansatz in dem EMS soll diese Unsicherheit berücksichtigen und damit die Robustheit gegenüber Vorhersagefehlern sowie unerwarteten Störungen erhöhen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit werden anhand des realen Inselnetzes auf Suðuroy, Färöer-Inseln, dargestellt. Das elektrische Inselnetz auf Suðuroy setzt sich aus volatilen erneuerbaren Energiequellen, Synchronmaschinen sowie einem Batteriespeicher zusammen. Simulationsstudien mit historischen Messdaten und unter Berücksichtigung von Unsicherheiten in den Vorhersagemethoden zeigen signifikante wirtschaftliche Vorteile für die modellprädiktiven Regelungen gegenüber dem aktuellen manuellen Netzbetrieb auf der Insel Suðuroy. Mithilfe quasistationärer Modelle wird weiterhin gezeigt, dass der stabile Systembetrieb sowohl im Normalbetrieb als auch beim Auftreten größerer Störungen nicht gefährdet ist. Abschließend werden die in dieser Arbeit vorgeschlagene MPC auf Suðuroy implementiert und qualitative Ergebnisse aus Feldtests abgeleitet.