Netzbildende Wechselrichter lösen Synchronmaschinen ab

Großkraftwerke sorgen mit ihren Synchrongeneratoren für Stabilität im Stromnetz, werden aber im Zuge der Energiewende schrittweise abgeschaltet. Um das zu kompensieren, beschäftigen sich Forschende am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE damit, wie durch sogenannte "netzbildende" Wechselrichter auch in Zukunft eine stabile Netzfrequenz gewährleistet werden kann.

Wechselrichter sind leistungselektronische Geräte, deren Aufgabe die Umwandlung von Gleichstrom − etwa aus Batterien oder Solaranlagen − in Wechselstrom ist. Ihr elektrisches Verhalten ist nicht physikalisch definiert, sondern kann über bestimmte Algorithmen festgelegt werden. Heutzutage sind Wechselrichter in der Regel so programmiert, dass sie eine gewünschte Leistung ins Stromnetz einspeisen, das von starken Großkraftwerken stabil gehalten wird. Netzbildende Wechselrichter hingegen sind so programmiert, dass sie sich wie eine variable Spannungsquelle verhalten. Vergleichbar mit dem Verhalten von konventionellen Kraftwerken reagieren netzbildende Wechselrichter kurzfristig auf die Schwankungen des Netzes und stellen Momentanreserve bereit.

"Wichtig ist, dass die Geräte in Spezialfällen wie Überlastsituationen, defekten Leitungen oder System Splits reflexartig richtig reagieren und das Netz stabil halten", sagt Roland Singer, Gruppenleiter Stromrichterbasierte Netze am Fraunhofer ISE. "Hierzu forschen wir an der Entwicklung von Geräten und Algorithmen."

Beratung von Stromnetzbetreibern 

Dass netzbildende Wechselrichter für einen großen Anteil der Anlagen, die neu ans Netz gehen, notwendig werden, sei unter den Übertragungsnetzbetreibern inzwischen Konsens, erklärt Sönke Rogalla, Leiter der Abteilung Leistungselektronik und Netzintegration am Fraunhofer ISE. So steht die Fraunhofer Forscherinnen und Forscher diversen Stromnetzbetreibern beratend zur Seite und arbeitet seit 2017 mit Kooperationspartnern wie Transnet BW im Projekt "VerbundnetzStabil" zusammen. 

Im ersten Projektschritt wurden die Anforderungen an zukünftige Stromnetze geklärt und kritische Situationen definiert. Dies bildete die Grundlage für eine konkrete Geräteentwicklung und -programmierung zusammen mit dem Wechselrichterhersteller "KACO new energy". Im Multi-Megawatt Lab des ISE konnten die Forschenden dann ein Stromnetz im Kleinen nachbauen und dort untersuchen, wie sich der steigende Anteil von netzbildenden Wechselrichtern sowie die implementierten Regelungen in verschiedenen Störszenarien auf die Spannungsstabilität auswirkten.

Mit den Ergebnissen sind Singer und sein Kollege Rogalla sehr zufrieden: "Unsere Untersuchungen zeigen noch einmal deutlich, dass eine Umstellung von Synchrongeneratoren auf netzbildende Wechselrichter funktioniert und auch immer dringender wird", betont Singer. "Gleichzeitig konnten wir klar definieren, was das Netz der Zukunft wirklich braucht, und mithilfe einer Prüfrichtlinie, die wir erarbeitet haben, Vorschläge für wichtige technische Details liefern, bei denen es bisher noch keinen klaren Standard gibt", ergänzt Rogalla. Damit wolle man der Branche für die anstehende Markteinführung von netzbildenden Wechselrichtern eine Hilfestellung geben.

Aktuell wird am Abschlussbericht des Projekts geschrieben. Gleichzeitig soll die erarbeitete Technologie in einem großen Photovoltaik-Speicher-Kraftwerk implementiert und unter realen Bedingungen untersucht werden.