Stromrichterbasierte Netze

Die Netzregelung im europäischen Verbundnetz beruht auf den physikalischen Eigenschaften der großer Synchrongeneratoren in konventionellen Kraftwerken. Mit ihren rotierenden Massen sorgen diese Generatoren für die notwendige elektrische Stabilität der Stromversorgung. Daher muss zu jedem Zeitpunkt ein ausreichend hoher Anteil dieser sogenannter „Must-Run-Units“ am Netz angeschlossen sein, um die Systemstabilität zu gewährleisten. In einem vollständig auf Erneuerbare Energien umgestellten Energiesystem müssen Stromrichter alle notwendigen Systemdienstleistungen, etwa in PV- und Windkraftwerken oder in Batterie-Großspeichern, übernehmen.

Dafür bieten sich verschiedene Typen leistungselektronisch gekoppelter Anlagen an: PV-Anlagen, Windenergieanlagen, Batteriespeicher, aber auch Konverter für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, Stromrichter im Pulsbetrieb und Elektrolyseure. Im Gegensatz zum elektro-mechanischen Synchrongenerator besitzen solche stromrichterbasierten Anlagen jedoch nicht inhärent physikalisch ein entsprechendes elektrisches Verhalten. Daher müssen für sie geeignete regelungstechnische Lösungen gefunden, implementiert und erprobt werden. Nur so können zukünftig Netze auch ohne Beteiligung großer Synchronmaschinen jederzeit stabil gehalten werden. Hierfür entwickeln wir neuartige netzbildende Regelverfahren für Stromrichter, welche dem Netz alle Systemdienstleitungen zur Verfügung stellen und das Netz nicht nur im Normalbetreib, sondern auch bei Großstörungen, stabilisieren.

Darüber hinaus ändert sich die Struktur des zukünftigen Stromnetzes aufgrund der dezentralen Installation der erneuerbaren Erzeuger fundamental. Wir entwickeln Methoden für die Regelung und die Stabilitätsanalyse solcher dezentraler stromrichterbasierter Netzen. Dabei untersuchen wir Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Stromrichtern, aber auch zwischen Stromrichtern und anderen Netzkomponenten.

Der Nachweis dieser neuen Systemdienstleitungen und Verhaltensweisen ist zentral für einen zuverlässigen Netzbetrieb. Hierfür entwickeln wir Verfahren, etwa für den Nachweis des netzbildenden Verhaltens von Stromrichtern oder neuen Netzregelungsverfahren. Diese testen wir in unseren Multi-Megawatt Lab.

Ein wesentliches Instrument für diesen Übergang ist die Entwicklung von Netzanschlussrichtlinien, die die Eigenschaften aller am Netz befindlichen Generatoren festlegen. Um diese Erkenntnisse für die Praxis zu nutzen, arbeiten wir aktiv in Gremien mit, in denen Netzanschluss- und Prüfrichtlinien erarbeitet werden. Darüber hinaus unterstützen wir unsere Partner bei der richtlinienkonformen Umsetzung der Anforderungen, die sich kontinuierlich mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien weiterentwickeln.

Infobox

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. Im künftigen Stromnetz muss die Netzbildung von Wechselrichtern in erneuerbaren- sowie Speicher-Kraftwerken übernommen werden. 

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 – die Erzeugungsleistung ist kleiner als die momentane 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. Dank der Momentanreserve muss die entsprechende Leistung nicht instantan zur Verfügung stehen , da sie dies durch die Abgabe der kinetischen Energie für eine gewisse Zeit übernimmt. Dies ist vor allem während Großstörungen im Netz wichtig, um genügend Zeit für Gegenmaßnahmen zu haben. Ein Beispiel ist ein sogenannter System Split – der Zerfall des Netzes in mehrere Teile – der 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.

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Entwicklung von Regel-Algorithmen für netzbildende Wechselrichter

Simulationsmodell zur Entwicklung von Regelungstechnik für einen netzbildenden Wechselrichter
© Fraunhofer ISE
Simulationsmodell zur Entwicklung von Regelungstechnik für einen netzbildenden Wechselrichter.

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

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: z.B. spannungsstützenden Blindstrom während Netzfehlern, eine 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 weisen zum Netz hin kein Stromquellenverhalten mehr auf, sondern wirken als sinusförmige Spannungsquelle mit Innenimpedanz. Hierdurch stellen diese Wechselrichter im Netz vorhandenen nichtlinearen Lasten die benötigten Oberschwingungsströme zur Verfügung und führen dadurch zu einer Verbesserung der Spannungsqualität.

Darüber hinaus verleihen die Regelverfahren der Ausgangspannung eine Trägheit, die sich vergleichbar mit einem Synchrongenerator verhält. Dies gilt sowohl für die Phase als auch die Amplitude der Spannung. Da bei der Parallelschaltung mehrerer Spannungsquellen mit reiner Trägheit ein sehr schwingungsanfälliges System entsteht, werden 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 der Stromes begrenzt werden, da der Ausgangstrom im Falle eines Fehlers ein Vielfaches des Nennstroms annehmen kann. Die Regelverfahren werden zusätzlich speziell für verschiedene Fehlerfälle im Netz ausgelegt, wie etwa Unter- und Überspannungen, Frequenzfehler (durch großes Erzeugungsungleichgewicht) oder Phasensprünge. So sorgen sie für eine Stabilisierung des Netzes.

Wir entwickeln diese Regelverfahren, von der hardware-nahen Ansteuerung der Halbleiter über die schnelle Spannungsregelung mit Strombegrenzung bis hin zu Funktionen der Trägheit und ggfalls überlagerter Wirk- und Blindleistungsregelung. Hinzu kommen etwaige Kommunikationsschnittstellen zum Netzbetreiber und anderen Parteien.

Dynamische Netz- und Anlagensimulation

Dynamische Simulation eines Netzabschnittes
© Fraunhofer ISE
Dynamische Simulation eines Netzabschnittes.

Der ansteigende Ausbau erneuerbarer Energien und die damit verbundene wachsende Anzahl dezentraler Erzeugungseinheiten erfahren im Diskurs über die Stabilität von Verbundnetzen eine immer höhere Aufmerksamkeit.

Die Experten des Fraunhofer ISE entwickeln Methoden für die Erstellung dynamischer Modelle und Simulationsmethoden für Stromrichter im Netz, um genaue und laufzeitoptimierte Simulationen zu ermöglichen. Hierbei werden sowohl Echtzeitmethoden (C-HiL, P-HiL) als auch rein Software- basierte Methoden eingesetzt, um je nach Untersuchungsziel die besten Ergebnisse zu ermöglichen. Dabei arbeiten wir u.a. mit folgenden Simulationstools: DIgSILENT PowerFactory®, PSCAD™, MATLAB®/Simulink® . Für Hardware-in-the-Loop-Simulationen (HiL) stehen Systeme von OPAL RT® zur Verfügung. Diese können sowohl als C-Hil (unter Verwendung der realen Regelungshardware der Stromrichter) als auch als P-HiL (unter Verwendung eines Leistungsverstärkers und der kompletten Stromrichter-Hardware) eingesetzt werden. Dabei entwickeln wir neue Verfahren zur Simulation von Oberschwingungen und deren Ausbreitung im Netz und erarbeiten neue Verfahren zur Stabilitätsanalyse, etwa mittels impedanzbasierter Stabilitätsbewertung. Wir berücksichtigen dabei auch zukünftige Verhaltensweisen dieser Anlagen, wie etwa netzbildende Regelungsverfahren. Hierbei kommt unseren Expertinnen und Experten ihr Detailwissen über den Aufbau und das Verhalten von leistungselektronischen Geräten zugute.

Darüber hinaus sind Simulationen von kompletten Anlagen und Netzabschnitten möglich, um das Verhalten von Stromrichtern zu untersuchen und zu optimieren. Hier führen wir Stabilitätsanalysen, Sensitivitätsanalysen, Parameteroptimierungen und Netzintegrationsstudien durch.

Erstellung von Simulationsmodellen von Erzeugungseinheiten und -anlagen nach Netzanschlussrichtlinien

Regelungsstruktur eines TR4-Modells für einen PV-Wechselrichter.
© Fraunhofer ISE
Regelungsstruktur eines TR4-Modells für einen PV-Wechselrichter.

Gemäß verschiedener internationaler Netzanschlussbedingungen müssen Modelle für Erzeugungseinheiten, die an das Netz angeschlossen werden, zur Zertifizierung einen mehrstufigen Prozess durchlaufen. In Deutschland etwa werden im ersten Schritt Typprüfungen nach FGW TR3 durchgeführt, bei denen die elektrischen Eigenschaften der Einheit geprüft werden. Im zweiten Schritt folgt die Erstellung eines Modells, welches das dynamische Verhalten nachbildet. Den dritten Schritt bildet die Modellvalidierung, bei der ein Vergleich des Modellverhaltens mit den Messdaten durchgeführt wird.

Ziel der Modellierung ist, die Interaktion zwischen Erzeugungseinheit und dem Stromnetz nachzubilden. Bei erfolgt einerseits die Analyse des dynamischen Verhaltens während Netzfehler (FRT) bei symmetrischen und asymmetrischen Spannungseinbrüchen vor. Ferner werden die Wirkleistungsregelung bei Änderung der Netzfrequenz, die Wirkleistungsbegrenzung, die Blindleistungsbereitstellung sowie das Verhalten des Netzschutzes simuliert.

Hersteller von Verbrennungskraftmaschinen, PV- und Batteriewechselrichtern können bei der Entwicklung eines solchen Modells beim Fraunhofer ISE Unterstützung finden. Dabei kommen uns unsere Simulationsexpertise, unsere langjährige Erfahrung mit den Anforderungen aus Netzanschlussrichtlinien und der Prüfung dieser Anforderungen im Labor sowie unsere tiefgreifenden Kenntnisse des Systems Generator-Netz bzw. unsere leistungselektronische Kompetenz zugute. Aus diesen Gründen können wir für unsere Kunden sehr schnell und kosteneffektiv entsprechende Modelle entwickeln und begleiten dabei den kompletten Zertifizierungsprozess.

Für den Netzanschluss von PV-, Wind-, Speicher- oder Hybrid-Anlagen müssen Hersteller von Anlagenreglern Simulationsmodelle erstellen, welche das Verhalten ihrer Geräte widerspiegeln. Am Fraunhofer ISE entwickeln wir derartige Modelle und unterstützen beim Durchlaufen der Zertifizierungsprozesses.

Der Anlagenregler wird zur Steuerung des Wirkleistungs- und Blindleistungsaustauschs zwischen der Anlage und dem öffentlichen Stromnetz am Netzanschlusspunkt verwendet. Basierend auf den aktuellen Spannungs- und Strommessungen am Anschlusspunkt sendet er Wirkleistungs- und Blindleistungssollwerte an die Anlagensteuerungssysteme. Die Bewertung des Betriebs- und Regelverhaltens des Parkreglers erfolgt basierend auf internationalen Netzanschlussrichtlinien.

Dynamische Blindleistungsbereitstellung

Hochaufgelöste Vermessung der Blindleistungsbereitstellung in einem PV-Park
© Fraunhofer ISE
Hochaufgelöste Vermessung der Blindleistungsbereitstellung in einem PV-Park.

Blindleistung fällt im Energiesystem einerseits in Freileitungen, Erdkabeln, Transformatoren und Motoren an, andererseits kann sie auch gezielt zur Einhaltung von Spannungsbändern in Stromnetzen eingesetzt werden. Durch die Dezentralisierung des Energiesystems ändert sich auch die Blindleistungsbereitstellung, wenn im Übertragungsnetz die Großkraftwerke für den zentralen Blindleistungsausgleich wegfallen. Zudem wird laut Studienlage der Bedarf an Blindleistung generell steigen und aufgrund der fluktuierenden Einspeisung von Wind- und PV-Kraftwerken ebenfalls stärkeren Schwankungen unterworfen sein.

Mithilfe von Wechselrichtern, die in Wind- und PV-Kraftwerken sowie in Batteriespeichern zum Einsatz kommen, kann Blindleistung dezentral und hochdynamisch bereitgestellt werden. Dies bietet prinzipiell die Chance, das Blindleistungsmanagement im Stromnetz lokaler, schneller und präziser durchzuführen. Allerdings sind dafür neuartige, innovative Methoden für Netzplanung, Betriebsführung und Anlagenansteuerung erforderlich.

Wir forschen in diesem Themengebiet daran, die notwendigen Voraussetzungen für ein innovatives Blindleistungsmanagement zu schaffen. Dafür erstellen wir in Zusammenarbeit mit Forschungs- und Industriepartnern Simulationsmodelle von Stromnetzen und führen damit Netzsimulationen durch. Zudem nutzen wir unser messtechnisches Know-how zur Charakterisierung von Wechselrichtern, Generatoren und anderen Blindleistungsquellen. Damit tragen wir dazu bei, die Netzqualität in einem von Erneuerbaren Energien dominierten Energiesystem beizubehalten oder sogar zu erhöhen.

Netzstützung im Fehlerfall

Messdaten eines Spannungseinbruchs-Tests
© Fraunhofer ISE
Messdaten eines Spannungseinbruchs-Test.

Die Stabilität der Stromnetze ist für Gesellschaft und Wirtschaft von zentraler Bedeutung. Damit es in Folge eines lokalen Fehlers im Stromnetz nicht zu einem großräumigen oder gar europaweiten Stromausfall kommt, müssen PV-Anlagen ebenso wie andere dezentrale Erzeugungsanlagen bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen am Netz bleiben und netzstützenden Kurzschlussstrom einspeisen. Am Fraunhofer ISE beschäftigen wir uns seit mehr als zehn Jahren mit derartigen Fragen der dynamischen Netzstützung. Wir führen Spannungseinbruchsversuche durch, zeichnen das Verhalten von Wechselrichtern und Generatoren mit unserer hochgenauen Messtechnik auf und analysieren dieses. Darüber hinaus entwickeln wir die Anforderungen an Erzeugungs- und Speicheranlagen nach den Anforderungen des Netzes weiter. Zunehmend geraten aber auch andere Netzfehler in den Fokus der Netzbetreiber und der Wissenschaft – insbesondere Frequenzabweichungen und zeitweilige Überspannungsereignisse.

Die Gefährdungslage durch solche Fehler ist zwar nicht neu, das Problem kann sich aber durch die zunehmende Dezentralität der Stromversorgung verschärfen. Unsere Forschungsinteresse gilt deshalb der Untersuchung der Ursachen, der Häufigkeit und der Konsequenz diverser Netzfehlerereignisse. Dazu nutzen wir sowohl unsere exzellente Laborinfrastruktur mit eigenem Hochspannungstransformator, diversen Prüfeinrichtungen und Netzsimulatoren, als auch unsere profunden Modellierungs- und Simulationserfahrungen im Gebiet der Kurzschluss- und Netzberechnung.

Auslegung von Schutzsystemen

Versorgungstransformator des Multi-Megawatt Lab am Fraunhofer ISE
© Fraunhofer ISE
Versorgungstransformator des Multi-Megawatt Labs am Fraunhofer ISE.

Der Zubau Erneuerbarer Energien ändert zunehmend den Leistungsfluss und die Dynamik im Netz. Die daraus entstehenden Auswirkungen betreffen auch die im Netz implementierten Schutzsysteme, die sogenannte Sekundärtechnik. Sowohl vorhandene als auch zukünftige Schutzsysteme müssen angesichts der hochdynamischen und auch fluktuierenden Einspeisung der dezentralen Erzeugungseinheiten sicher zwischen Betriebs- und Fehlerfall unterscheiden können. Die neuen Herausforderungen betreffen unter anderem die dezentrale Blindleistungsbereitstellung sowie die geänderten Kurzschlussleistungen und die Gefahr des Auftretens von zusätzlichen Oberschwingungen.

Wir forschen an der Sekundär- und Schutztechnik, die für die Transformation des Energiesystems erforderlich ist. Neben detaillierten Netzsimulationen steht uns ein Laborzentrum zur Verfügung, in dem die Ergebnisse validiert und die Netzsituationen real nachgebildet werden können. Damit tragen wir dazu bei, dass die Schutztechnik mit den neuen Herausforderungen Schritt hält und somit der zuverlässige Netzbetrieb sichergestellt wird.

Charakterisierung und Vermessung von netzbildenden Wechselrichtern

Vermessung eines netzbildenden Wechselrichters im Multi-Megawatt Lab
© Fraunhofer ISE
Vermessung eines netzbildenden Wechselrichters im Multi-Megawatt Lab.

In unserem Multi-Megawatt Lab 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. Weitere Punkte sind die Lieferung von Oberschwingungsströmen für die Versorgung nichtlinearer Lasten und von Leistung im Gegensystem für die Versorgung asymmetrischer Lasten. 

Des Weiteren prüfen wir den Beitrag zur Momentanreserve durch Wechselrichter, indem wir die wirksame Trägheit und das Dämpfungsverhalten der Geräte untersuchen.

Netzfehler können dazu führen, dass die Wechselrichter ihr Stromlimit erreichen und daher begrenzt werden müssen. In unserem Lab testen wir daher das Verhalten während Unter- und Überspannungsereignissen, Phasensprüngen, Frequenzfehlern und bei 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.

Dank der einzigartigen Infrastruktur des Multi-Megawatt Lab können wir auch das Verhalten von kompletten Micro-Grids und Wechselrichter-Clustern testen. 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.

Netzanschlussregeln und Prüfrichtlinien

Technische Richtlinie 3 der FGW
© FGW e.V.
Technische Richtlinie 3 der FGW (wind-fgw.de/).

Netzanschlussrichtlinien sind ein wesentliches Instrument zur Gewährleistung eines sicheren Netzbetriebes mit dezentraler Einspeisung. Alle Netzteilnehmer müssen den hierin festgeschriebenen Anschlussbedingungen genügen. In Deutschland, aber auch international, haben sich in den letzten Jahren große Änderungen dieser Regeln ergeben, um der zunehmenden Dezentralisierung unseres Energiesystems Rechnung zu tragen.

In diesem Zuge wurden auch neue Prüfrichtlinien erarbeitet, die den Nachweis der in den Netzanschlussrichtlinien festgeschriebenen Eigenschaften von Wechselrichtern und Generatoren und die dafür notwendigen Tests und Untersuchungen festlegen.

Am Fraunhofer ISE tragen wir mit unserer Forschung dazu bei, diese Richtlinienarbeit wissenschaftlich zu begleiten. Wir sehen uns dabei als unabhängigen Partner im Spannungsfeld zwischen Netzbetreibern und Anlagenherstellern. Mit den Vermessungen von Wechselrichtern und Generatoren in unserem Multi-Megawatt Lab sowie der Modellierung von elektrischen Anlagen bieten wir neben dieser Forschungsarbeit direkte Hilfestellung für Anlagenhersteller und dienen als kompetente Ansprechpartner zu allen Fragestellungen in diesem Bereich.

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