Netzbildende Wechselrichter

Im heutigen Stromnetz wird die Netzbildung – also die Bereitstellung einer sinusförmigen Spannung mit einer stabilen Frequenz - in erster Linie durch konventionelle Großkraftwerke geleistet.

Dabei beruht die Netzregelung vordergründig auf den physikalischen Eigenschaften der in diesen Kraftwerken eingesetzten Synchrongeneratoren, welche als sinusförmige Spannungsquelle mit induktiver Innenimpedanz sowie einer durch ihre Schwungmasse gegebenen Trägheit wirken. Dies führt bei einem Erzeugungsdefizit – also im Fall einer Erzeugungsleistung kleiner der momentanen Last – im Netz zum Abbremsen des Generators, wobei dieser die gespeicherte kinetische Energie an das Netz abgibt und damit dem Abbremsen entgegenwirkt, also die Geschwindigkeit des Frequenzabfalls limitiert.

Diese Eigenschaften werden in der klassischen Netzregelung ausgenutzt. Mit Hilfe der Regelung der Frequenz kann dadurch ein Gleichgewicht aus Last und Erzeugung hergestellt werden. Die Momentanreserve ermöglicht dabei, dass die entsprechende Leistung nicht instantan zur Verfügung stehen muss, da diese durch die Abgabe der kinetischen Energie diese für eine gewisse Zeit übernehmen kann. Dies ist vor allem, während Großstörungen im Netz wichtig, um genügend Zeit für Gegenmaßnahmen zu haben. Beispielsweise bei einem sogenannten System Split – also dem Zerfall des Netzes in mehrere Teile – da dies zu extremen Ungleichgewichten zwischen Erzeugung und Last führen kann.

Durch den Zubau großer Mengen erneuerbarer Erzeugung, welche überwiegend leistungselektronisch ans Netz gekoppelt sind, und der damit verbundenen Abschaltung der Großkraftwerke muss die Netzbildung in Zukunft von Wechselrichtern in erneuerbaren- sowie Speicher-Kraftwerken und ggf. auch regelbaren Lasten übernommen werden.

Hierfür werden neuartige netzbildende Regelverfahren für Wechselrichter benötigt, welche dem Netz diese Systemdienstleistungen zur Verfügung stellen. 

Unsere FuE-Aktivitäten und Leistungen zum Thema »Netzbildende Wechselrichter« umfassen:

• Entwicklung von Regel-Algorithmen
• Dynamische Netz- und Anlagensimulation
• Charakterisierung und Vermessung von Netzbildenden Wechselrichtern

Die Eigenschaften eines Wechselrichters zum Netz hängt in erster Linie, von der verwendeten Regelungstechnik ab, da diese das Verhalten und Reaktionen auf Einflüsse des Netzes definieren.

Heutige Wechselrichter messen die Netzspannung und speisen dazu synchron einen entsprechenden Strom ein, welcher die geforderte Wirk- und Blindleistung ergibt. Dieses Verhalten wird durch eine Stromregelung erreicht, welche sich zur Netzspannung synchronisiert. Um zusätzlich Systemdienstleistungen zur Verfügung zu stellen werden lediglich Funktionen verwendet, welche anhand bestimmter Parameter neue Sollwerte für den einzuspeisenden Strom generieren, beispielsweise spannungsstützenden Blindstrom während Netzfehlern, einer Reduktion der Wirkleistung bei erhöhter Netzfrequenz oder Blindleistung zur statischen Spannungshaltung.

Um dieses Verhalten zu ändern und dem Wechselrichter netzbildende Eigenschaften zu geben werden grundlegend neue Regelverfahren benötigt. Diese weißen zum Netz hin kein Stromquellenverhalten mehr auf, sondern wirken als sinusförmige Spannungsquelle mit Innenimpedanz. Hierdurch stellen diese Wechselrichter im Netz vorhanden Nichtlinearen Lasten die benötigten Oberschwingungsströme zur Verfügung und führen dadurch zu einer Verbesserung der Spannungsqualität.

Darüber hinaus verleihen die Regelverfahren der Ausgangspannung eine Trägheit, welche sich vergleichbar mit einem Synchrongenerator verhält. Dies gilt sowohl für die Phase als auch der Amplitude der Spannung. Da bei der Parallelschaltung mehrerer Spannungsquellen mit reiner Trägheit ein sehr schwingungsanfälliges System entsteht werde darüber hinaus auch dämpfende Elemente berücksichtigt, um einen stabilen Netzbetreib zu garantieren. 

Da Wechselrichter Aufgrund der eingesetzten Halbleiter einen limitierten Ausgangsstrom aufweisen muss des Weiteren eine Begrenzung des Stromes realisiert werden, da der Ausgangstrom im Falle eines Fehlers ein Vielfaches des Nennstrom annehmen kann. Die Regelverfahren werden zusätzlich speziell für verschieden Fehlerfälle im Netz, wie etwa Unter- und Überspannungen, Frequenzfehler (durch großes Erzeugungsungleichgewicht) oder Phasensprüngen, um speziell in diesen Fällen für eine Stabilisierung des Netzes zu sorgen.

Diese Regelverfahren entwickeln wir beginnend von der Hardwarenahen Ansteuerung der Halbleiter über die schnelle Spannungsregelung mit Strombegrenzung, die Funktionen der Trägheit, gegeben falls vorhanden überlagerten Wirk- und Blindleistungsregelung bis zu etwaigen Kommunikationsschnittstellen zum Netzbetreiber und anderen Parteien.

Die Experten des Fraunhofer ISE entwickeln Methoden für die Erstellung dynamischer Modelle netzbildender Umrichter, um genaue und laufzeitoptimierte Simulationen zu ermöglichen. Hierbei werden sowohl Echtzeitmetoden (C-HiL, P-HiL) als auch rein Software basierte Methoden eingesetzt um, je nach Untersuchungsziel die besten Ergebnisse zu ermöglichen. Dabei werden unter anderem folgende Simulation Tools eingesetzt DIgSILENT PowerFactory®, PSCAD™, MATLAB®/Simulink® sowie bezüglich HiL-Simulation stehen Systeme von OPAL RT® zur Verfügung sowohl für die Verwendung als C-Hil also unter Verwendung der realen Regelungshardware der Umrichter aber auch als P-HiL also unter Verwendung eines Leistungsverstärkers und der kompletten Umrichter Hardware.

Darüber hinaus werden auch Simulationen von kompletten Anlagen und Netzabschnitten durchgeführt und das Verhalten von netzbildenden Wechselrichtern zu untersuchen und zu optimieren. Hier führen wir Stabilitätsanalysen, Sensitivitätsanalysen, Parameteroptimierungen und Netzintegrationsstudien durch.  

In unserem Multi-Megawatt Labor am Zentrum für Leistungselektronik und nachhaltige Netze vermessen wir netzbildende Wechselrichter bis in den Multi-Megawattbereich.

Dabei untersuchen wir das Spannungsquellenverhalten der Geräte, also die Bereitstellung einer sinusförmigen Spannung hinter einer Innenimpedanz. Aber auch die Lieferung von Oberschwingungsströmen für die Versorgung nichtlinearer Lasten und von Leistung im Gegensystem für die Versorgung asymmetrischer Lasten.

Des Weiteren untersuchen wir das Inertia-Verhalten der Umrichter, dabei vermessen wir neben der zur Verfügung gestellten Trägheit auch das Dämpfungsverhalten.

Darüber hinaus untersuchen wir das Verhalten während Netzfehlern, welche dazu führen, dass die Umrichter ihr Stromlimit erreichen und daher begrenzt werden müssen. Dabei untersuchen wir das Verhalten währen Unter- und Überspannungsevents, Phasensprüngen, Frequenzfehlern und von Kombinationen dieser Fehler. Dabei wird neben dem netzstützenden Verhalten auch die Stabilität bewertet.

Auch Untersuchen wir mögliche Wechselwirkungen der Geräte. Dabei verwenden wir vor allen die Methode der differentiellen Impedanzspektroskopie.

Darüber hinaus ermöglicht uns die einzigartige Infrastruktur des Multi-Megawatt Lab die Untersuchung des Verhaltens auch von kompletten Micro-Grids und Wechselrichter-Clustern. Hierbei untersuchen wir die Wechselwirkungen zwischen netzbildenden Wechselrichtern aber auch von netzbildenden Wechselrichtern mit dem Netz oder anderen Erzeugungstechnologien wie etwa Synchrongeneratoren.

Dabei entwickeln und optimieren wir Methoden für den Nachweis der Eigenschaften von netzbildenden Wechselrichtern und bringen diese aktiv in der Normung ein.