Elektrische Energiesysteme und Smart Grids

Die Forschungsgruppe „Elektrische Energiesysteme und Smart Grids“ vom Institut für Energiesysteme und Fluid Engineering (IEFE) an der ZHAW, School of Engineering verfügt über ein hochmodernes Labor mit professioneller Hard- und Software für die technische und ingenieurwissenschaftliche Ausbildung sowie für die wissenschaftliche Forschung. In diesem Labor ist es möglich, verschiedene Elemente miteinander zu vernetzen und zu kommunizieren, um reale Herausforderungen im tatsächlichen Stromnetz zu untersuchen und nachzubilden. Auf diese Weise lassen sich Probleme auf verschiedenen Ebenen des Netzes untersuchen, wie beispielsweise die Integration erneuerbarer Energiequellen, Fragen der Stromqualität, Elektromobilität, Energiemanagement und Energiespeichersysteme, um nur einige zu nennen. 

Die Gruppe wird von Prof. Dr. Petr Korba geleitet und besteht aus einem Kernteam, das sich aus folgenden Forschenden zusammensetzt: Dr. Rafael Segundo, Dr. Miguel Ramirez, Dr. Artjoms Obusevs und Dr. Alfredo Velázquez. 

Unser Team verfolgt verschiedene Forschungsschwerpunkte, die sich über folgende Kernbereiche der elektrischen Energiesysteme erstrecken:

Ansprechsperson: Dr. Rafael Segundo

Ziel dieses Forschungsschwerpunkts ist es, Phänomene im Stromnetz zu untersuchen und zu analysieren, die auf der höchsten Spannungsebene des Netzes (Übertragungsnetz) auftreten. Zu diesen Problemen zählen klassische Stabilitätsphänomene wie Rotorwinkel-, Spannungs- und Frequenzstabilität, aber auch neue Herausforderungen im Zusammenhang mit der Integration erneuerbarer Energiequellen, wie beispielsweise geringe Trägheit. Darüber hinaus werden Regelalgorithmen zur Minderung dieser Probleme untersucht. In der folgenden Abbildung wurde das klassische akademische Vier-Maschinen-Zwei-Bereich-System in Hardware umgesetzt und mit einem Überwachungssystem ausgestattet. Diese Anordnung ermöglicht es, die Rotationsträgheit in jeder der vier Maschinen zu verändern und auf diese Weise die Analyse elektromechanischer Schwingungen wie im realen Netz zu ermöglichen.

Ansprechsperson: Dr. Miguel Ramirez

Die Digitalisierung der Stromversorgungssysteme hat zur Einführung hochentwickelter Sensoren geführt, namentlich Smart Meter in Verteilungsnetzen und Phasor Measurement Units (PMUs) in Übertragungsnetzen. Diese hochentwickelten Sensoren liefern den Energieversorgern mehr Daten als je zuvor. Ohne die Verarbeitung dieser Daten können die Energieversorger jedoch nicht von diesen großen Messdatenmengen profitieren. In diesem Forschungsbereich werden Signalverarbeitungsansätze untersucht, die auf datengesteuerten Methoden, maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz basieren. Die folgende Abbildung zeigt Frequenzabweichungen, die während des Stromausfalls auf der Iberischen Halbinsel im April 2025 mit PMUs gemessen wurden. Mit dieser Art von Messungen können wir Lösungen entwickeln, um solche Ereignisse zu verhindern, indem sie den Betreibern des Systems im Voraus Warnmeldungen sendet, bevor sich das Problem ausbreitet.  

Ansprechsperson: Dr. Artjoms Obusevs

In diesem Forschungsbereich werden verschiedene Ansätze zur Bewältigung von Herausforderungen im Niederspannungsnetz (Verteilnetz) untersucht. Das Team arbeitet eng mit verschiedenen Verteilnetzbetreibern (VNB) wie dem Stadtwerk Winterthur, den Elektrizitätswerken Zürich (EKZ) und dem Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (ewz) sowie mit weiteren Unternehmen zusammen, um die vorgeschlagenen Lösungen maßgeschneidert zu gestalten. Ein Beispiel für die in diesem Bereich entwickelten Projekte ist das Projekt GAMMA, dessen Ziel es ist, kosteneffiziente, innovative und modulare Ansätze zur Netzüberwachung zu entwickeln, um die Beobachtbarkeit des Niederspannungsnetzes mithilfe kostengünstiger Spannungs- und Stromsensoren zu verbessern.

Ansprechsperson: Dr. Alfredo Velázquez

Die massive Einbindung erneuerbarer Energiequellen wie Solar-PV und Windkraft sowie der Einsatz von Batterie-Energiespeichersystemen (BESS) führen folglich zu einer zunehmenden Integration von Leistungselektronik-Umrichtern (PECs) in Stromnetze. Diese Komponenten tragen dazu bei, dass Stromnetze zu nachhaltigeren Systemen werden, bringen jedoch gleichzeitig neue Herausforderungen mit sich, wie beispielsweise eine Verschlechterung der Netzstabilität und der Stromqualität. Dieser Forschungsschwerpunkt zielt darauf ab, innovative Methoden zu entwickeln, zu validieren und zu implementieren, um diese Herausforderungen zu bewältigen und einen zuverlässigen und stabilen Netzbetrieb zu gewährleisten. Zu den Forschungsschwerpunkten gehören die Analyse und Regelung von PECs, wenn diese als netzbildende bzw. netzfolgende Strukturen betrieben werden. Die unten abgebildete Abbildung zeigt einen Laboraufbau für ein Power-Hardware-in-the-Loop-Experiment (P-HIL) eines BESS, das an ein in unserem Labor verfügbarem Verteilungsnetz angeschlossen ist.