EMT-Untersuchungen zur Netzkodekonformität von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Einhaltung der Netzvorschriften für Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien hängt nun von Störungsnachweisen ab, aus denen hervorgeht, wie sich die vorgelegten Regelungsmaßnahmen bei Störungen und während der Wiederherstellung verhalten.
• Die Systemfestigkeit und das Zusammenspiel mit den Wechselrichtern bestimmen, ab wann Phasor-Analysen nicht mehr ausreichen und eine EMT-Modellierung für die Prüfung der Netzintegration erforderlich wird.
• Verbindungsanalysen lassen sich schneller durchführen, wenn das Modell, die Fehlerfälle und die Pass-Anweisungen alle auf dieselben technischen Annahmen zurückgeführt werden können.

Die Netzkodekonformität von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien hängt nun von EMT-Nachweisen ab, die die Durchfahrbarkeit von Störungen und die Wiederherstellung eindeutig belegen.

Früher stützten sich Netzanschlussprüfungen auf Phasor-Analysen, Anlagen-Datenblätter und allgemeine Steuerungsbeschreibungen. Dieser Standard hat sich geändert, da Wechselrichter-basierte Anlagen innerhalb von Millisekunden reagieren können und diese schnellen Steuerungsmaßnahmen darüber entscheiden, ob eine Einheit bei einer Störung im Netz verbleibt oder abgeschaltet wird. Erneuerbare Energien deckten im Jahr 2023 etwa 30 % der weltweiten Stromerzeugung ab. Mit steigendem Anteil werden die Anforderungen an Netzintegrationsstudien immer detaillierter, und Netzbetreiber erwarten den Nachweis, dass eine bestimmte Anlage Störungen im tatsächlichen Netz standhält.

Die Einhaltung der Netzvorschriften erfordert den Nachweis der Störfestigkeit

Die Einhaltung der Netzvorschriften bedeutet, nachzuweisen, dass Ihre Anlage bei definierten Netzstörungen am Netz bleibt und sich innerhalb der festgelegten Grenzwerte verhält. Die Prüfer verlangen Nachweise zur Spannungsunterstützung, Stromeinspeisung, Schutzkoordination und stabilen Wiederherstellung. Ein Konformitätsantrag wird akzeptiert, wenn diese Nachweise in Bezug auf die am Netzanschlusspunkt geltenden Vorschriften erbracht werden.

Ein Solarkraftwerk, das an einen 132-kV-Sammelschienensystem angeschlossen ist, liefert hierfür ein anschauliches Beispiel. Der Betreiber gibt sich nicht mit einer allgemeinen Aussage zufrieden, dass der Wechselrichter den Niederspannungs-Durchfahrbetrieb unterstützt. Sie benötigen Diagramme, die die Klemmenspannung, den Strom, die Blindleistungsreaktion, die Wirkleistung und den Schutzstatus während eines Fehlers mit einer angegebenen Ausschaltzeit darstellen. Diese Kurven beantworten die praktische Frage, die hinter jeder Studie zum Anschluss einer Anlage aus erneuerbaren Energien steht.

Dies ist von Bedeutung, da die Formulierungen der Netzvorschriften auf das Verhalten der Anlage unter Belastung ausgerichtet sind und nicht auf die Marketingversprechen der Hersteller. Herstellerzertifikate sind zwar hilfreich, belegen jedoch nicht die standortspezifische Leistung, wenn die Transformatorimpedanz, die Anordnung der Kollektoren und die Anlagensteuerung mit einem schwachen Netz interagieren. Wenn Sie fragen, was die Einhaltung der Netzvorschriften in der Praxis bedeutet, so ist dies der fundierte Nachweis, dass das eingereichte Anlagenmodell die Störungen übersteht, die für den Netzbetreiber von Bedeutung sind.

Die Systemfestigkeit bestimmt die Einbautiefe der Verbindung

Die Robustheit des Systems am Netzanschlusspunkt bestimmt, wie detailliert Ihre Untersuchung sein muss. Robuste Systeme lassen bei manchen Prüfungen oft einfachere Darstellungen zu. Bei weniger robusten Systemen treten schnelle Regelungswechsel auf, sodass die Gutachter EMT-Arbeiten erwarten, die das Verhalten der Wandler und die Netzreaktion aufschlüsseln, ohne dabei wichtige Details durch Mittelwertbildung zu vernachlässigen.

Ein Kurzschlussverhältnis von etwa 2,5 in einem abgelegenen Umspannwerk versetzt eine Anlage zur Erzeugung erneuerbarer Energien in eine ganz andere Lage als eine Anlage, die an einen stabilen Übertragungsknoten angeschlossen ist. In den ersten acht Monaten des Jahres 2024 entfielen 59 % der neu hinzugekommenen Erzeugungskapazitäten im großtechnischen Bereich in den USA auf die Solarenergie. Dieses Wachstum bedeutet, dass immer mehr Wechselrichter-basierte Projekte an Standorten ans Netz gehen, an denen die Netzfestigkeit begrenzt ist und die Tiefe der Netzanalyse zu einem Problem beim Netzanschluss wird.

Dies taucht in der Regel in den Kommentaren zu Modellprüfungen auf. Die Prüfer fragen nach nahegelegenen Wechselrichteranlagen, Details zur äquivalenten Quelle, Transformator-Stufenschaltungen und Leitungsdaten, da diese Faktoren die Regelstabilität bei Störungen beeinflussen. Eine Anlage, die bei einer starken Quelle den Anforderungen zu entsprechen scheint, kann Schwierigkeiten haben, wenn dieselben Regler mit einer schwachen Thevenin-Äquivalenz konfrontiert werden. Die Arbeit an der Netzintegration beginnt mit dieser Frage, da sie die Untersuchungsmethode, den Detaillierungsgrad des Modells und die Größe der Testmatrix bestimmt.

In Phasor-Studien werden die Reaktionen der Wechselrichter nicht berücksichtigt, die die Betreiber nun überprüfen

„Phasor-Analysen erfassen das durchschnittliche schnelle elektrische Verhalten, sodass sie PLL-Instabilitäten, Übergänge bei der Strombegrenzung, die Erholung des Gleichstromkreises und Schutzausfälle verbergen können, die für die Akzeptanz entscheidend sind.“

Die Netzbetreiber überprüfen diese Reaktionszeiten im Millisekundenbereich direkt, da sie sich auf die Störungsdurchfahrt, die Regelstabilität und die Leistungswiederherstellung nach einer Störung am Netzanschlusspunkt auswirken.

Ein typischer Fehlerverlauf sieht in den Phasor-Ergebnissen harmlos aus. Die Anlagenspannung sinkt, der Blindstrom steigt an, und die Einheit scheint weiterhin in Betrieb zu bleiben. Die EMT-Auswertung zeichnet jedoch ein düstereres Bild: Die Strompriorität wechselt zweimal, der Anlagencontroller geht in die Sättigung, die Phasenwinkelschätzung schwankt, und es kommt für einige Zyklen zu einer Auslösung der Schutzvorrichtung. Diese Diskrepanz erklärt, warum Phasor-Ergebnisse bei vielen Überprüfungen von Anlagen mit erneuerbaren Energien nicht mehr ausreichen.

Dieses fehlende Detail führt zu zusätzlichen Schwierigkeiten bei der Genehmigung. Ein Prüfer, der nur den gemittelten Antwortwert sieht, wird eine weitere Modelldurchführung oder eine Klarstellung der Kontrollbedingungen verlangen, bevor die Studie fortgesetzt werden kann. Sie sparen Zeit, wenn bereits bei der ersten Einreichung der transiente Mechanismus hinter dem bestandenen Ergebnis dargelegt wird.

EMT-Simulation veranschaulicht das Durchfahren von Störungen im Detail

Die EMT-Simulation belegt die Störungsüberbrückung, indem sie den gesamten Störungsablauf und die Reaktion der Anlage innerhalb von Millisekunden nachbildet. Auf derselben Zeitachse lassen sich Spannungsabfall, Stromeinspeisung, Strombegrenzung, Auslösen des Leistungsschalters und die ersten Momente der Wiederherstellung beobachten. Genau diesen Detaillierungsgrad legen Prüfer bei der Beurteilung der Konformität zugrunde.

Ein nützlicher Testfall besteht darin, am entfernten Ende der Leitung für 150 ms einen einzelnen Leitungs-Erdschluss zu erzeugen. Der Testlauf sollte die Spannung am Netzanschlusspunkt, die Phasenströme, die Wirkleistung, die Blindleistung sowie ein internes Signal wie beispielsweise die Gleichstrom-Zwischenkreisspannung oder den Reglerausgang anzeigen. Eine batteriegestützte Anlage erfordert eine ähnliche Vorgehensweise, da das Durchhalteverhalten davon abhängt, wie die Regelebenen den Strom aufteilen und die Leistung wiederherstellen.

Der Hauptvorteil dieses Ansatzes liegt in der Rückverfolgbarkeit. Jeder Fall lässt sich einer Netzkodeklausel, einer Netzbedingung und einer Bewertung („bestanden“ oder „nicht bestanden“) zuordnen. Wenn Sie eine EMT-Studie für die Netzkodeprüfung erstellen, geht es nicht nur darum, Wellenformen zu erzeugen. Es geht darum, die genaue Störung, die genaue Regelreaktion und den genauen Grund dafür aufzuzeigen, warum die Anlage innerhalb der vom Betreiber festgelegten Grenzwerte bleibt.

Ein zuverlässiges EMT-Modell bildet die Anlagensteuerung originalgetreu ab

Ein glaubwürdiges EMT-Modell bildet den tatsächlichen Umrichter, die Anlagensteuerung und die Schutzlogik mit nachvollziehbaren Parametern und klaren Grenzwerten ab. Die Prüfer müssen nachvollziehen können, wie das Modell seine Reaktion erzeugt. Verborgene Logik oder fehlende Steuerungsdetails schwächen die Studie, da niemand überprüfen kann, warum eine Wellenform akzeptabel erscheint.

Ein nützliches Modell umfasst den Wechselrichterstromregler, die Phasenverfolgung, die Blindleistungsregelung auf Anlagenebene, die Spannungsabsenkung, die Fehlerstrompriorität und die Schutzschwellenwerte. Teams, die SPS SOFTWARE einsetzen, integrieren diese Transparenz häufig in den Arbeitsablauf, sodass Reglerblöcke, Gleichungen und Parameterwerte direkt überprüft werden können, anstatt sie als geschlossenes Objekt zu behandeln. Das ist wichtig, wenn ein Prüfer fragt, warum der Blindstrom bei einem bestimmten Wert begrenzt wurde oder warum die Wirkleistung nach einer festgelegten Verzögerung wieder aufgenommen wurde.

Die Validierung ist der Schritt, der dem Modell Gewicht verleiht. Werksprüfungen, Inbetriebnahmeprotokolle oder Benchmark-Ergebnisse sollten mit dem simulierten Verhalten übereinstimmen, bevor das Anschlusspaket eingereicht wird. Sie weisen nicht nach, dass eine generische Wechselrichterklasse die Anforderungen erfüllen kann. Sie weisen nach, dass sich Ihre Anlage mit Ihren Einstellungen und Ihrem Netz unter extremen Netzbedingungen so verhält, wie es in der Einreichung angegeben wurde.

Die Maßnahmen nach einem Verstoß entscheiden oft über den Ausgang der Compliance-Prüfung

„Es reicht nicht aus, die Fehlerdauer zu überstehen; die Betreiber beurteilen auch, wie sich Spannung, Strom und Leistung der Anlage nach der Fehlerbehebung wieder erholen.“

Eine zu langsame, zu abrupte oder schlecht gedämpfte Rückstellung kann gegen die Vorschriften verstoßen, selbst wenn die Anlage nie abgeschaltet wird. Viele Grenzfälle scheitern hier und nicht während des Spannungseinbruchs selbst.

Eine Anlage kann einen Dreiphasenfehler überstehen und dennoch 300 ms später ein neues Problem verursachen. Die Wirkleistung könnte zurückkehren, bevor sich der Spannungsregler eingependelt hat, was zu einer vorübergehenden Überspannung am Netzanschlusspunkt führt. Ein anderer Fall zeigt das gegenteilige Problem: Die Blindleistungsunterstützung bricht zu früh zusammen, die Phasenverriegelung benötigt zusätzliche Zyklen, um sich einzupendeln, und die Anlage gerät in Schwingungen, bevor der normale Betrieb wieder aufgenommen wird.

In den ersten Sekunden nach der Freigabe sollten Sie die Anstiegsraten, die Freigabe der Strombegrenzung, die Übergabe an den Kraftwerksregler und die Dämpfung bewerten. Diese Details stehen in direktem Zusammenhang mit der Einschätzung der Anlagensicherheit durch die Betreiber. Eine Simulation der Störungsüberbrückung bei erneuerbaren Energien ist nur dann überzeugend, wenn sie den gesamten Vorfall abbildet, einschließlich des Wiederherstellungspfads, der auf eine erfolgreiche Reaktion zur Aufrechterhaltung der Netzanbindung folgt.

Die Überprüfung durch den Netzbetreiber hängt von eindeutigen Nachweisen für transiente Zustände ab

Die Überprüfung durch den Netzbetreiber setzt klare, wiederholbare und nachvollziehbare Transienten-Nachweise voraus, die mit den jeweiligen Regelungsanforderungen verknüpft sind. Rohe Simulationsergebnisse reichen nicht aus. Die Prüfer müssen jedes Diagramm einem definierten Fall, einer Modellversion und einer konkreten Frage zur Konformität zuordnen, bevor sie das Ergebnis akzeptieren.

Studienpakete geraten oft in Schwierigkeiten, weil die Diagramme zwar technisch korrekt, aber schwer zu überprüfen sind. Die Zeitskalen variieren von Abbildung zu Abbildung, Fehlerorte werden nur vage beschrieben, und die Reglereinstellungen befinden sich in einer separaten Datei ohne klaren Bezug zum Durchlauf. Diese Unklarheiten lassen sich vermeiden, wenn das Einreichungspaket von der Falldefinition bis zur abschließenden Pass-Anweisung durchgängig konsistent ist.

• Ein Netzfall, der mit den übermittelten Netzkopplungsdaten übereinstimmt
• Ein Modellversionsprotokoll, das mit den jeweiligen Simulationsläufen verknüpft ist
• Fehlerdefinitionen mit Ort, Dauer und Behebungsablauf
• Diagramme, die Spannung, Strom, Leistung und wichtige interne Zustände gegenüberstellen
• Den jeweiligen Klauseln des Netzkodex zugeordnete Pass-Anweisungen

Dieses Maß an Disziplin verkürzt den technischen Austausch. Außerdem lässt sich die Studie zum Anschluss der Anlage zur Erzeugung erneuerbarer Energien leichter wiederverwenden, wenn die Einstellungen aktualisiert oder ein neuer Betriebsfall hinzugefügt wird. Sie liefern dem Prüfer eine lückenlose Nachweiskette und nicht nur einen Stapel von Screenshots.

Häufige Lücken in der Modellierung führen zu vermeidbaren Verzögerungen bei Anschlussstudien

Die meisten Verzögerungen bei Verbindungsstudien sind auf fehlende Kontrollangaben, unzureichende Netzwerkannahmen und Belege zurückzuführen, die die Prüfungsfrage nicht direkt beantworten. Eine Studie kommt schneller voran, wenn jeder Einzelfall einer fachlichen Überprüfung standhält. Eine klare Modellierungsdisziplin ist wichtiger als ausgefeilte Grafiken oder lange beschreibende Abschnitte.

Typische Lücken sind bekannt. In einem eingereichten Modell fehlt die Anlagensteuerung, und es wird lediglich die Regelung auf Wechselrichterebene berücksichtigt. Die Transformator-Stufenschaltung im Untersuchungsfall entspricht nicht dem aktuellen Auslegungspaket. Das Netzäquivalent ist zu steif, sodass der Fehler einfacher erscheint, als es die vom Betreiber erwarteten Standortbedingungen vermuten lassen. Jeder Fehler erfordert einen weiteren Überprüfungszyklus, da das Ergebnis die Einhaltung der Netzvorschriften nicht zuverlässig nachweisen kann.

Der anspruchsvollere Weg ist einfach und erfordert Genauigkeit. Sie benötigen eine offene Modellstruktur, nachvollziehbare Parameter und Störungsfälle, die auf den Codeklauseln basieren, die an Ihrer Schnittstelle von Bedeutung sind. SPS SOFTWARE passt gut zu dieser Arbeitsweise, da Ingenieure das Modellverhalten überprüfen können, anstatt es als „Black Box“ zu betrachten. Diese Art von Klarheit wird die schwierigen Fragen bei einer Überprüfung zwar nicht beseitigen, aber sie wird Ihre Antworten präzise, konsistent und technisch fundiert machen.