Inwiefern Studien zur Integration erneuerbarer Energien von präzisen Wechselrichtermodellen abhängen

Wichtigste Erkenntnisse

• • Die Ergebnisse der Netzanbindung erneuerbarer Energien sind nur so zuverlässig wie das im Modell dargestellte Steuerungs- und Schutzverhalten des Wechselrichters.

• • Durchschnittliche Modelle eignen sich für einfache Screening-Aufgaben, doch Fehlerreaktionen, Untersuchungen mit schwachen Gittern und Konformitätsprüfungen erfordern eine höhere Genauigkeit.

• • Transparente Modellierungsabläufe helfen den Teams dabei, Annahmen zu aktualisieren, auf Anmerkungen der Versorgungsunternehmen einzugehen und die Studien an die Gegebenheiten vor Ort anzupassen.

Von präzisen Wechselrichtermodellen hängt es ab, ob eine Studie zur Integration erneuerbarer Energien den Weg für einen sicheren Netzanschluss ebnet oder die genauen Probleme verschleiert, die sie eigentlich aufdecken soll.

Wind- und Solarenergie deckten im Jahr 2023 13,4 % des weltweiten Strombedarfs, sodass Netzstudien mittlerweile weitaus häufiger vom Verhalten der Wechselrichter abhängen als von Annahmen zu Synchronmaschinen. Man kann zwar nach wie vor eine Leistungsflussberechnung mit einem vereinfachten Block durchführen, erhält dabei jedoch keine verlässlichen Ergebnisse hinsichtlich Fehlerverhalten, Durchhaltefähigkeit oder Zuleitungsspannungsregelung. Energieversorger, Berater und Anlagenplaner benötigen Modelle, die das tatsächliche Verhalten von Steuerungen und Schutzvorrichtungen widerspiegeln. Dieser Punkt ist bei jeder Simulation eines Stromnetzes mit erneuerbaren Energien von Bedeutung. Eine Studie, die Strombegrenzung, Blindleistungspriorität oder Auslösezeiten außer Acht lässt, sieht auf dem Papier zwar gut aus, scheitert aber bei der Überprüfung durch den Energieversorger. Simulationen von Stromnetzen mit erneuerbaren Energien sind nur dann sinnvoll, wenn das Wechselrichtermodell der Fragestellung der Studie, der Netzfestigkeit und den Netzanschlusseinstellungen entspricht, die in Betrieb genommen werden sollen.

Präzise Wechselrichtermodelle setzen die Grenzen glaubwürdiger Studien

Glaubwürdige Studien zur Integration erneuerbarer Energien basieren auf Wechselrichtermodellen, die das tatsächliche Regel- und Schutzverhalten der Anlage nachbilden. Spannungsregelung, Strombegrenzungen, Phasenverfolgung und Abschaltlogik bestimmen, wie die Anlage mit dem Netz interagiert. Werden diese Funktionen vereinfacht oder weggelassen, entspricht die Studie nicht mehr den tatsächlich zu installierenden Anlagen.

Eine Zuleitungsstudie an einem schwachen ländlichen Stromkreis verdeutlicht das Problem. Eine vereinfachte Stromquelle lässt vermuten, dass die Solaranlage bei einer Störung in der Nähe die Wirkleistung aufrechterhält und innerhalb der Spannungsgrenzen bleibt. Der in Betrieb genommene Wechselrichter erreicht stattdessen seine Stromgrenze, verlagert die Blindleistung und stellt die Wirkleistung über eine Regelrampe wieder her. Dieser Ablauf beeinflusst die Zuleitungsspannung, die Auslösung der Relais und die Zeit, die die Anlage benötigt, um zur Leistung vor dem Fehler zurückzukehren.

Sie benötigen ein genaues Modell, da die Energieversorger Netzanschlüsse nicht allein auf der Grundlage der Nennleistungen genehmigen. Sie bewerten das Verhalten unter Belastungsbedingungen, die die Grenzen der Regeltechnik und die Einstellungen der Schutzvorrichtungen aufdecken. Kann das Modell diese Details nicht nachbilden, wird das Studienergebnis zu einer Planungsannahme und nicht zu einer technischen Grundlage für die Genehmigung des Anschlusses.

„Studien zur Netzstabilität erfordern explizite Wechselrichtergrenzen, da diese Grenzen darüber entscheiden, wie viel Spannungsunterstützung oder Wirkleistungsleistung die Anlage bei einer Störung tatsächlich bereitstellen kann.“

Standardmodelle berücksichtigen nicht das Netzverhalten, das Versorgungsunternehmen bewerten müssen

Herkömmliche Wechselrichtermodelle eignen sich zwar für langsame elektrische Trends, lassen jedoch das kurzzeitige Verhalten außer Acht, das oft über den Erfolg einer Netzanbindung entscheidet. Energieversorger bewerten Spannungseinbrüche, Schaltvorgänge, Wiedereinschaltsequenzen und die Zeitabläufe von Schutzvorrichtungen. Diese Ereignisse finden in Zeiträumen statt, in denen die gemittelte Dynamik die Reaktionen überdeckt, die man eigentlich beobachten muss.

Ein mittleres Solarkraftwerk, das in der Nähe einer Speisekondensatorbank angeschlossen ist, ist ein anschauliches Beispiel. Ein durchschnittliches Modell kann eine akzeptable stationäre Spannung vor und nach einem Schaltvorgang darstellen. Oftmals erfasst es jedoch nicht das kurzzeitige Überschwingen, die Stromsättigung oder die Belastung des Phasenregelkreises, die auf die sprunghafte Änderung folgen. Diese Details sind entscheidend, wenn ein Energieversorger den Nachweis verlangt, dass die Anlage am Netz bleibt und sich auf kontrollierte Weise wiederherstellt.

Das bedeutet nicht, dass jede Studie detaillierte Umschaltmodelle benötigt. Es bedeutet jedoch, dass Sie bei Fragen zum Fault Ride-Through, zu Fehlauslösungen oder zur Relaisinteraktion kein durchschnittliches Modell verwenden sollten. Durchschnittliche Modelle eignen sich gut für allgemeine Fragen, lassen jedoch genau dort Lücken, wo die Prüfung durch die Energieversorger besonders streng ausfällt.

Regelkreise beeinflussen den Spannungsverlauf bei Sonnenstörungen

Regelkreise bestimmen, wie ein Wechselrichter reagiert, wenn die Spannung von den Nennbedingungen abweicht. Der Phasenregler, der innere Stromregler sowie der äußere Spannungs- oder Leistungsregelkreis tragen jeweils zum Regelverhalten bei. Ihre Einstellungen entscheiden darüber, wie schnell Blindstrom auftritt, wie stabil das Regelverhalten bleibt und wie gleichmäßig die Wirkleistung wiederhergestellt wird.

Ein Spannungsabfall in einer schwachen Zuleitung verdeutlicht dies. Ein Reglersatz kann den Blindstrom schnell genug ansteigen lassen, um die lokale Spannung wiederherzustellen, und anschließend die Wirkleistung ohne Schwingungen wiederherstellen. Ein anderer Reglersatz kann hingegen übersteuern, die Grenzwerte für die Strompriorität erreichen und eine zweite Spannungsschwankung verursachen, wenn das Kraftwerk versucht, die Einspeisung wieder aufzunehmen. Beide Kraftwerke können die gleiche Nennleistung haben und sich dennoch sehr unterschiedlich verhalten.

Man kann die Netzstabilität bei hohem Anteil erneuerbarer Energien nicht allein anhand von Nennleistungsdaten oder generischen Regelblöcken untersuchen. In den Regelkreisen wird das Verhalten einzelner Anlagen zum Systemverhalten. Wenn diese Regelkreise im Modell fehlen oder schlecht abgestimmt sind, lässt sich nicht feststellen, ob ein Spannungsproblem auf die Zuleitung, den Anlagencontroller oder das Zusammenspiel beider zurückzuführen ist.

Schutzfunktionen entscheiden darüber, ob den Ergebnissen der Verknüpfung vertraut werden kann

Die Schutzmodellierung entscheidet darüber, ob eine Netzanschlussstudie das Verhalten der Anlage unter außergewöhnlichen Netzbedingungen realistisch widerspiegelt. Spannungs- und Frequenzgrenzwerte, Durchhaltezeiten, Wiederanschlussverzögerungen und Anti-Inselbildung-Logik beeinflussen das Ergebnis. Ein Modell ohne diese Funktionen kann bis zu dem Moment, in dem die Anlage tatsächlich ausfällt, stabil erscheinen.

Ein kurzzeitiger Fehler in der Einspeisung macht dies deutlich. Das Netz kann sich problemlos erholen und die Busspannung kann wieder auf den Normalwert zurückkehren, doch die Anlage wird sich dennoch abschalten, wenn der Unterspannungstimer oder das Frequenzfenster enger eingestellt ist, als in der Studie angenommen. Dieser eine Unterschied verändert den Fehlerbeitrag, die Last nach dem Fehler und das Spannungsprofil, das benachbarte Kunden wahrnehmen.

Gerade beim Thema Schutz entstehen häufig Meinungsverschiedenheiten bei der Planung. Die Energieversorger prüfen nicht nur die Regelungsabsicht, sondern auch die Einstellungen, und schon kleine zeitliche Abweichungen können dazu führen, dass ein Ergebnis von „akzeptabel“ zu „nicht konform“ wechselt. Das Wechselrichtermodell muss daher dieselben Schwellenwerte und Verzögerungen enthalten, die das Inbetriebnahmeteam vor Ort anwenden wird.

Die Modelltreue sollte in erster Linie der Forschungsfrage entsprechen

Die Modellgenauigkeit sollte unter Berücksichtigung des Untersuchungsziels, der Netzbedingungen und der Anforderungen des Netzbetreibers ausgewählt werden. Ein einfaches Modell eignet sich für die Überprüfung von Spannungsanstiegen oder der Zuleitungsauslastung unter Normalbedingungen. Detaillierte Regelungs- und Schutzmodelle sind erforderlich, wenn die Untersuchung Aufschluss darüber geben soll, wie sich die Anlage bei Störungen, im Schwachnetzbetrieb oder bei Konformitätsprüfungen verhält.

Sie können den Bedarf an höherer Genauigkeit anhand einer kurzen Reihe von Prüfschritten ermitteln:

• • In der Studie wird nach der Fähigkeit gefragt, einen Fehler zu überstehen oder sich nach einem Fehler wiederherzustellen.

• • Der Speisestrom ist so schwach, dass die Phasenverfolgung die Stabilität beeinträchtigen kann.

• • Die Schutzeinstellungen werden im Rahmen der Netzkopplung überprüft.

• • Die Spannungsregelungsfunktionen arbeiten nahe den Strombegrenzungen.

• • Die Einhaltung der Vorschriften hängt von bestimmten Wechselrichterfunktionen und Zeitgebern ab.

Teams verschwenden oft Zeit, weil sie mit dem Modell beginnen, das sie bereits haben, anstatt mit dem Modell, das für die jeweilige Fragestellung erforderlich ist. SPS SOFTWARE eignet sich für diese Phase, wenn Sie bearbeitbare Steuerblöcke und transparente Parameter benötigen, die an ein Studienpaket für Versorgungsunternehmen angepasst werden können. Ein solcher Arbeitsablauf hilft Ihnen dabei, von Screening-Studien zu detaillierten Analysen überzugehen, ohne das gesamte Anlagenmodell von Grund auf neu erstellen zu müssen.

„Glaubwürdige Studien zur Integration erneuerbarer Energien sind auf Wechselrichtermodelle angewiesen, die das tatsächliche Regel- und Schutzverhalten der Anlage nachbilden.“

Für Netzstabilitätsstudien müssen die Grenzwerte der Wechselrichter explizit angegeben werden

Bei Netzstabilitätsstudien sind explizite Wechselrichtergrenzen erforderlich, da diese Grenzen darüber entscheiden, wie viel Spannungsunterstützung oder Wirkleistungsleistung die Anlage bei einer Störung tatsächlich bereitstellen kann. Stromobergrenzen, Regeln zur Blindleistungspriorisierung, Rampenbegrenzungen und Phasenverfolgungsbeschränkungen bestimmen die Reaktion der Anlage. Sind diese Grenzen nicht berücksichtigt, wird die Netzfestigkeit in der Studie zu hoch eingeschätzt.

Die für 2024 geplanten Kapazitätserweiterungen im US-Großkraftwerksbereich umfassten zu 58 % Solarenergie und zu 23 % Batteriespeicher, was bedeutet, dass sich künftige Fallstudien eher auf die Grenzen von Wechselrichtern als auf die Trägheit rotierender Maschinen konzentrieren werden. Eine Anlage, die bei einer Störung scheinbar die Spannung aufrechterhält, kann ihren Beitrag einstellen, sobald ihre Stromzuweisung die vom Regler festgelegte Obergrenze erreicht. Eine andere Anlage kann dasselbe Ereignis nur deshalb überstehen, weil ihre Blindleistungspriorität anders eingestellt ist.

Der folgende Checkpoint zeigt, wo vereinfachte Annahmen in der Regel nicht mehr zutreffen.

Die IEEE-1547-Prüfungen schlagen fehl, wenn das Verhalten des Wechselrichters zu stark vereinfacht wird

Konformitätsprüfungen gemäß IEEE 1547 scheitern, wenn das Wechselrichtermodell genau jene Funktionen auslässt, deren Ausführung der Standard von einer dezentralen Energiequelle erwartet. Spannungsregelung, Frequenzantwort, Durchfahrverhalten, Inbetriebnahmelogik und die Zeitabläufe der Schutzabschaltung müssen alle berücksichtigt werden. Ein generischer Block für erneuerbare Energiequellen kann diese Konformitätsfragen allein nicht beantworten.

Bei einer Netzprüfungsanfrage im Rahmen einer Modernisierung der Solarstrom-Zuleitung wird häufig der Nachweis verlangt, dass die Anlage auch bei bestimmten Spannungs- und Frequenzschwankungen am Netz bleibt und dabei die Schutzvoreinstellungen einhält. Ein vereinfachtes Modell kann zwar eine stabile Stromeinspeisung und eine akzeptable Zuleitungsspannung aufzeigen, es kann jedoch nicht nachweisen, dass die Volt-VAR-Kurve, das Frequenz-Leistungs-Verhalten und die Wiederzuschaltverzögerung der Anlage mit den genehmigten Einstellungen übereinstimmen. Genau an dieser Stelle verlieren Konformitätsstudien an Glaubwürdigkeit.

Sie sollten die Prüfungen gemäß IEEE 1547 als Verhaltensüberprüfung betrachten. Die Studie muss aufzeigen, wie der konfigurierte Wechselrichter unter denselben Bedingungen reagiert, die in der Norm behandelt werden. Wenn das Modell diese Funktionen nicht abbilden kann, wird die Studie die Arbeiten zum Netzanschluss nicht zuverlässig unterstützen.

Transparente Modellabläufe ermöglichen reproduzierbare Studien zum erneuerbaren Stromnetz

Wiederholbare Studien zu erneuerbaren Energien im Stromnetz erfordern transparente Modelle, die Ingenieure überprüfen, anpassen und anhand der Annahmen der Energieversorger testen können. Sie müssen die Steuerungsstruktur, die Schutzparameter und die festgelegten Grenzwerte ohne versteckte Logik einsehen können. Diese Transparenz ist es, die ein Simulationsergebnis zu etwas macht, das Ihr Team verteidigen kann.

Ein guter Arbeitsablauf sorgt dafür, dass das Wechselrichtermodell von Anfang an mit dem Einliniendiagramm, den Einstellungen der Anlagensteuerung und dem Umfang der Netzbetreiberstudie abgestimmt ist. Wenn in einem Prüfkommentar eine andere Spannungs-/Blindleistungskurve oder eine andere Wiederanschlussverzögerung gefordert wird, sollten Sie in der Lage sein, das Modell direkt zu bearbeiten und die Auswirkungen auf das Verhalten der Zuleitung nachzuverfolgen. Diese Vorgehensweise reduziert Nacharbeiten und macht Aktualisierungen der Studie wesentlich robuster.

SPS SOFTWARE gehört in diese abschließende Bewertung, denn transparente, physikalisch fundierte Modelle helfen dabei, genau das Verhalten zu testen, das ein Energieversorger hinterfragen wird und mit dem ein Betreiber später leben muss. Eine genaue Wechselrichtermodellierung wird bei der Integration erneuerbarer Energien niemals nur ein nettes Extra sein. Sie ist der entscheidende Unterschied zwischen einer Studie, die als Grundlage für technische Maßnahmen dient, und einer Studie, die lediglich den Anschein von Vollständigkeit erweckt.