Mit dem flexiblen Niederspannungslabor wird der Aufbau einer Versuchsanlage verfolgt, welche alle Bereiche einer dezentralen regenerativen Energieversorgung in der Niederspannung integriert. Die Umsetzung erfolgt dabei mit realen Betriebsmitteln, ergänzt durch simulative Komponenten.

ENGiNe-Forschungsschema — Forschungsthemen im Mikronetz- und Energiespeicherlabor

Erforscht wird dabei das Zusammenwirken der Einzelkomponenten (Einspeisung, Speicher, Last) in verschiedenen Konstellationen zur Netzdienlichkeit, zur Erhöhung des Eigenverbrauchs unabhängig von politischen Rahmenbedingungen oder auch zur Teilnahme am Regelenergiemarkt. Sowie die Stabilität und Regelung von Mikronetzen im Verbundbetrieb und im Inselnetz. Aufgebaut ist das Niederspannungslabor am Energiecampus Nürnberg AufAEG.

Konzept und Ausstattung des Niederspannungslabors

Das flexible Niederspannungslabor am Standort „Auf AEG“ bildet eine realitätsnahe Forschungsumgebung zur experimentellen Untersuchung moderner Verteilnetze, leistungselektronischer Betriebsmittel und innovativer Regelungsverfahren. Herzstück des Labors ist eine hochflexible AC-Schaltmatrix mit vier Sammelschienen (je eine pro Phase), über die sämtliche Betriebsmittel frei miteinander verschaltet werden können. Jedes Gerät kann dynamisch auf jede Sammelschiene geschaltet werden; alle Abgänge sind einzeln abgesichert und mit Smart Metern ausgestattet. Mit einer Nennspannung von 400 V und einer Stromtragfähigkeit von bis zu 400 A lassen sich damit vielfältige Netzstrukturen und Betriebszustände reproduzieren.

Das Labor vereint reale Erzeuger, Speicher, Umrichter und Lasten in einem modularen Gesamtsystem. Zur Ausstattung zählen unter anderem:

eine PV-Dachanlage auf dem ehemaligen AEG-Areal mit 17,42 kWp Nennleistung, verteilt auf Süd-, West- und Ostausrichtung,
ein Bleibatteriespeichersystem (5 kVA, 4 kWh netto),
ein leistungsfähiges Umrichtertestfeld mit einem 2-Level-Umrichter (bis 70 kVA) sowie einem modularen Multilevel-Converter mit integrierten Li-Ionen-Speichern,
analoge und elektronische Testlasten bis in den Kilowattbereich pro Phase zur Abbildung symmetrischer und unsymmetrischer Lastzustände,
ein Niederspannungsregelsystem (70 kVA) zur phasenunabhängigen Spannungsregelung nach dem Prinzip eines Längsreglers,
schaltende Vierquadrantensteller sowie mehrere Linearverstärker (bis 30 kVA pro System) für spannungs- und stromgeregelten Betrieb im AC- und DC-Bereich.

Das Niederspannungslabor schafft damit eine einzigartige Experimentierplattform für Forschung und Lehre – von der Analyse klassischer Verteilnetze bis hin zu hochdynamischen, leistungselektronisch dominierten Energiesystemen der Zukunft.

Forschungskonzept und Inhalte

Das flexible Niederspannungslabor dient der Erforschung dezentraler Erzeugunger und Verbraucher. Das Laborkonzept eröffnet ein breites Spektrum für Untersuchungen zum Betrieb regenerativer Energiesysteme:

Integration erneuerbarer Energien und Speicher im Niederspannungsnetz
Netzverhalten und Wechselwirkungen unterschiedlicher Speichertypen und Wechselrichtersysteme
Analyse und Modellierung innovativer Entwicklungen für Niederspannungsnetze
Optimierung von Ladestrategien von Heimspeichersystemen und batterieelektrischen Fahrzeugen
Erbringung von Regelleistung durch dezentrale Speicher
Regelung und Verhalten netzgekoppelter Mikronetze und Inselnetze
Testen neuartiger Betriebsmittel (z.B. Speicher, regenerative Energiesysteme) an frei programmierbaren und in Echtzeit simulierten Netzstrukturen (Power Harware-in-the-Loop)
Weitere Echtzeitanwendungen in Verbindung mit unserem Echtzeitlabor

Aufbau des Labors

2016 – Beginn der Planungen

Die Planung für das Speicherlabor erfolgte zuerst nur mit zwei Speichersystemen und einer kleineren Photovoltaikanlage

2017 – Inbetriebnahme der drei Speichersyteme

Durch die Installation des Branschutzcontainers können die Speichersyteme nun sicher in Betrieb genommen werden.

2018 – Inbetriebnahme der Photovoltaikanlage

Im Mai 2018 konnte die Photovoltikanlage mit einer Leistung von 17 kWp in Betrieb genommen werden und speist seither das Labor-Mikronetz.

2019 – Integration der Echtzeitsimulation

Ein umfangreicher Ausbau des Labors ebnet den Weg für die Integration eines Hardware-In-the-Loop Echtzeitsimulators zur simulativen Ergänzung des Testaufbaus um weitere Speicher, Einspeiser oder als Netzsimulator.

2022 – Inbetriebnahme des Umrichter-Testfelds

Im Jahr 2022 wurde das Umrichter-Testfeld in Betrieb genommen. In diesem können innovative Steuerungs- und Regelalgorithmen auf realer Hardware oder komplette Systeme in einem realistischen Umfeld getestet werden.

2024 – Integration zentraler Schaltmatrizen für AC- und DC-Betrieb

Durch das stetige Wachstum des Labors wurde ein neues Konzept zum Betrieb des Labors erforderlich. Mit dem Ziel mehrere Versuche parallel und unabhängig zueinander durchführen zu können, wurde jeweils ein Mehrfachsammelschienensystem für AC (400 V) und DC (bis 800 V) in das Labor integriert.

Power Hardware-in-the-Loop – Brücke zwischen Simulation und Realität

Ein zentrales Alleinstellungsmerkmal des Niederspannungslabors ist die konsequente Integration von Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL). Durch die direkte Kopplung mit dem Echtzeitlabor des Lehrstuhls entsteht eine hybride Experimentierumgebung, in der reale Betriebsmittel mit virtuellen Netzen, Erzeugern oder Verbrauchern in Echtzeit interagieren. Die Verbindung erfolgt über ein gemeinsames IT-Netzwerk und eine rund 200 m lange Lichtwellenleiterstrecke; die Kommunikation zwischen Echtzeitsimulatoren und Leistungsverstärkern basiert auf dem Aurora-Protokoll.

PHIL ermöglicht es, komplexe Energiesysteme nicht nur zu simulieren, sondern physikalisch zu „erleben“: Reale Umrichter, Speicher oder Regler werden in ein virtuelles Netz eingebettet, das in Echtzeit berechnet wird. Dadurch lassen sich Szenarien untersuchen, die in der Realität nur mit hohem Aufwand, erheblichen Kosten oder sicherheitstechnischen Risiken realisierbar wären – etwa schwach gekoppelte Netze, Inselbetriebe, hohe Anteile leistungselektronischer Erzeuger oder extreme Störfälle. Gleichzeitig bleibt die volle Kontrolle über Randbedingungen und Systemzustände erhalten; Versuche sind reproduzierbar und systematisch variierbar.

Für die Forschung eröffnet dies ein außergewöhnliches Methodenspektrum:

Neuartige Betriebsmittel und Regelungsverfahren können virtuell in bestehende Netze integriert und unmittelbar mit realer Hardware getestet werden.
Interaktionen zwischen Regelungen (z. B. netzgeführt ↔ netzbildend) lassen sich unter realistischen Bedingungen untersuchen.
Wechselwirkungen zwischen vielen dezentralen Einheiten können abgebildet werden, ohne dass diese physisch im Labor vorhanden sein müssen.
Sicherheitskritische Experimente können risikominimiert durchgeführt werden, da kritische Netzanteile zunächst virtuell bleiben.

Damit wird das Niederspannungslabor zu einer Brücke zwischen theoretischer Systemanalyse und realem Betrieb: Modelle, Regelalgorithmen und Systemkonzepte können nicht nur berechnet, sondern unter realen elektrischen Bedingungen validiert werden. Power Hardware-in-the-Loop macht das Labor zu einer skalierbaren Plattform für die Erforschung zukünftiger, stark leistungselektronisch geprägter Energiesysteme – von der Einzelkomponente bis zum gesamten Verteilnetz.