ImaStabil – Impedanzanalyse von PV-Kraftwerken zur Sicherstellung eines stabilen und zuverlässigen Betriebs am Netz

Das Vorhaben adressiert die Sicherstellung einer hohen Versorgungsqualität bei einem starken Ausbau der Photovoltaik. Das Konsortium plante mit der differentiellen Impedanzanalyse ein neues Verfahren zur Bewertung des Stabilitäts- und Oberschwingungsverhaltens von PV-Kraftwerken erstmalig im Feld zu erproben und zu etablieren. Bei diesem Verfahren wird die Impedanz am Netzanschlusspunkt sowie die Eingangsimpedanz der eingesetzten Wechselrichter bei der Ermittlung der Emissionen berücksichtigt. Das Projektkonsortium besteht neben dem Fraunhofer Institut aus der Helmut-Schmidt-Universität sowie den beiden Unternehmen morEnergy GmbH und greentech GmbH. 

Im Gegensatz zu konventionellen Großkraftwerken sind Photovoltaik (PV) Kraftwerke aus einer Vielzahl an Erzeugungseinheiten aufgebaut. Die elektrischen Eigenschaften am Netzanschlusspunkt ergeben sich dabei vor allem aus dem Zusammenspiel der eingesetzten Wechselrichter. Ferner spielen kraftwerksinterne Verkabelungen und Transformatoren hierbei eine entscheidende Rolle. Für die Stabilitäts- und Oberschwingungsanalyse solch komplexer Anlagen gibt es bis heute keine adäquaten Lösungen. Dies zeigt sich unter anderem durch unerwünschte Resonanzeffekte oder hohe Oberschwingungspegel (OS-Pegel), die trotz umfangreicher Netzanschlussverfahren zunehmend auftreten. Mit dem Verfahren der Impedanzspektroskopie von Wechselrichtern wurde im abgeschlossenen Forschungsprojekt »StarStrop« bereits eine Methode zur Bestimmung des wirksamen Impedanzverlaufs und der internen OS-Quellen von Wechselrichtern entwickelt, womit sich das frequenzabhängige Verhalten einzelner Einheiten gut beschreiben lässt. Um diese Methode auch für komplexe erneuerbare Kraftwerke und Netze nutzen zu können, entwickelt das Fraunhofer ISE in diesem Zusammenhang Methoden zur Vermessung der frequenzabhängigen Impedanz sowie der internen Oberschwingungsquellen von Betriebsmitteln in PV-Kraftwerken im Labor um daraus generische Modelle zur Simulation der Oberschwingungsemission sowie der Analyse der Oberschwingungsstabilität abzuleiten. Unter Einsatz dieser Modelle wurden anschließend Methoden zur Modellierung von Kraftwerken und der entsprechenden Netzanschlusspunkte entwickelt mit welchen anschließend die Simulation der Oberschwingungsemission sowie der Analyse der Oberschwingungsstabilität der Anlagen und Netzabschnitte möglich ist. Diese Methoden wurden anhand von Vermessungen der Netzimpedanz mit einem mobilen Messcontainer der Helmut-Schmidt-Universität sowie der Oberschwingungsemission in drei unterschiedlichen PV-Kraftwerken validiert. Darüber hinaus wurde durch die morEnergy GmbH eine mobiles Anlagenimpedanzmessgerät entwickelt, um die Geräte und Anlagenimpedanz auch bei Bestandsgeräten im PV-Kraftwerk bestimmen zu können. Zusammen mit der greentech GmbH wurde basierend auf der Anlagenimpedanz zudem eine Health Monitoring Methode erprobt.

Ergebnisse:

Im Projekt wurde das impedanzbasierte Stabilitätskriterium in die Praxis überführt; dieses Verfahrens erlaubt nun, falsche Bewertungen von Netzanschlusspunkten zu minimieren und so Ertragseinbußen und Betriebsmittelschäden in PV-Parks zu vermeiden.

Zwei PV-Parks wurden detailliert vermessen. Im Labor wurden Impedanzspektren von Anlagenkomponenten wie Kabel, Wechselrichter und Transformatoren aufgenommen. Damit wurden die beiden PV-Parks simuliert und die stabilitätsverbessernden Verfahren verifiziert.

Die Erkenntnisse fließen bereits in Netzanschlussverfahren ein und künftige Messverfahren sollen standardisiert werden. Wechselrichterimpedanzen lassen sich gezielt formen (sog. Impedance Shaping), Wechselrichter können als »Dämpfer« zusätzliche Netzdienstleistungen erbringen.