Was ist virtuelle Schwungmasse?

Unser Stromnetz stabil zu halten, ist eine extrem komplexe Aufgabe. Das europäische Verbundnetz gilt als die größte Maschine der Welt und läuft seit rund 100 Jahren sehr zuverlässig. Neben klassischen Herausforderungen wie Winkel-, Spannungs- und Frequenzstabilität, treten mit der zunehmenden Verbreitung von Leistungselektronik (Wechselrichtern, Stromrichtern) in Anlagen wie Photovoltaik und Windkraft neue Themen wie Resonanzstabilität und Converter Driven Stability hinzu.

Die Rolle der Schwungmasse im traditionellen Netz.

Traditionell wird die Stabilität des Stromnetzes maßgeblich von den Synchronmaschinen in konventionellen Kraftwerken (wie Kohle, Gas, Kernkraft) gewährleistet. Diese Generatoren verfügen über eine große physikalische Schwungmasse (rotierende Masse). Wenn sich die Last im Netz plötzlich ändert (z. B. durch den Ausfall eines Kraftwerks oder einen großen Verbraucher), versucht diese rotierende Masse, ihre Geschwindigkeit beizubehalten. Bei einem Leistungsdefizit (z. B. Lastanstieg oder Erzeugungsabfall) gibt die rotierende Masse kinetische Energie ab, was zu einem langsamen Abfallen der Frequenz führt.

Dieses Abfallen ist ein Signal für die Netzregler (wie die Primärregelung), die dann gegensteuern können, um die Frequenz wieder anzuheben und zu stabilisieren. Die physikalische Schwungmasse bietet also eine Momentanreserve und verlangsamt Frequenzänderungen, was dem Netz Zeit gibt, zu reagieren.

Die Herausforderung mit erneuerbaren Energien.

 Die meisten Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien, wie Photovoltaik- und Windkraftanlagen, sind über Leistungselektronik (Wechselrichter) an das Netz gekoppelt. Aktuell funktionieren diese Anlagen überwiegend als stromgeregelte Anlagen (oft auch als Grid-Following bezeichnet). Sie messen die Netzfrequenz und -spannung, synchronisieren sich daran und speisen dann einen bestimmten Strom ein. Dieses Prinzip funktioniert gut, solange netzbildende Einheiten, sprich konventionelle Kraftwerke mit Synchrongeneratoren, im Netz vorhanden sind, die eine stabile Spannung und Frequenz vorgeben.

Da wir jedoch zunehmend konventionelle Kraftwerke stilllegen und durch erneuerbare Energien ersetzen, reduziert sich die natürliche Schwungmasse im Netz. Dies kann dazu führen, dass das Netz anfälliger für schnelle Frequenzänderungen und Instabilitäten wird.

Die Lösung: Virtuelle Schwungmasse durch Gridforming.

Um die fehlende Schwungmasse zu ersetzen und das Netz auch mit einem hohen Anteil an Leistungselektronik-basierter Erzeugung stabil zu halten, ist ein grundlegender strategischer Wechsel in der Regelung dieser Anlagen erforderlich. Hier kommt das Konzept des Gridforming (netzbildend) ins Spiel. Anstatt sich passiv an das bestehende Netz zu synchronisieren und Strom einzuspeisen, sollen Gridforming-Anlagen aktiv als Spannungsquellen betrieben werden. Sie emulieren dabei das Verhalten von Synchrongeneratoren. Die Kernidee ist, dass der Wechselrichter eine stabile innere Spannungsquelle vorgibt, die sich nur langsam ändert, selbst wenn sich das Netz schnell verändert. 

Virtuelle Schwungmasse ist in diesem Kontext die Fähigkeit der Gridforming-Anlage, das reaktive Verhalten eines Synchrongenerators nachzubilden. Das bedeutet, dass der netzbildende Wechselrichter instantan (auf Millisekunden- bis Sekunden-Skala) das zur Verfügung stellt, was das Netz braucht. 

Dazu gehört insbesondere:

• Die Fähigkeit, die Netzspannung zu erzeugen.
• Beitrag zur Fehlerstützung (z.B. bei Kurzschlüssen).
• Bereitstellung von Schwungmasse bzw. Momentanreserve. Dies ist die "virtuelle Schwungmasse".
• Dämpfung von Schwingungen.

Durch die Emulation der trägen Reaktion von Synchrongeneratoren bremsen Gridforming-Wechselrichter (bzw. die von ihnen geregelte Spannung) Frequenzänderungen ab und stellen die notwendige Momentanleistung bereit, ohne dass physisch rotierende Massen vorhanden sein müssen. Dies macht die "virtuelle Schwungmasse" zu einem entscheidenden Faktor für die Stabilität zukünftiger, stark von Leistungselektronik geprägter Stromnetze.

Zukünftige Anforderungen.

Das Konzept der virtuellen Schwungmasse und die Forderung nach Gridforming-Fähigkeiten werden voraussichtlich im Entwurf des RFG 2.0 (Requirements for Grid Connected Generators), der derzeit bei der EU-Kommission überarbeitet wird, sehr prominent gefordert werden. Obwohl das Thema "virtuelle Schwungmasse" in den aktuellen Richtlinien (RFG 1.0) bereits angelegt ist, ist es noch nicht wirklich gefordert und wird selten abgerufen. Mit RFG 2.0 wird die Implementierung dieser Fähigkeiten, die in Labortests bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt haben, zur Notwendigkeit, um die Stabilität des Stromnetzes in der Energiewende zu gewährleisten.

Was ist «Grid-Forming»?

Gridforming ist die Technologie, welche unser Stromnetz für die Energiewende rüstet. In den letzten Jahren haben wir viel über die Notwendigkeit der Energiewende gesprochen – weg von fossilen Brennstoffen, hin zu erneuerbaren Energien. Doch der Übergang bringt auch technische Herausforderungen für unser Stromnetz mit sich, das über Jahrzehnte auf konventionelle Kraftwerke mit Synchrongeneratoren ausgerichtet war. Eine der wichtigsten Herausforderungen ist der Stabilitätsverlust durch den Wegfall der physikalischen Schwungmasse dieser Generatoren. Wie wir in unserem letzten Beitrag besprochen haben, ist virtuelle Schwungmasse eine mögliche Lösung. Doch wie wird diese "virtuelle" Trägheit ins Netz gebracht? Die Antwort liegt im Konzept des Gridforming (zu Deutsch: Netzbildend).

Das Problem: Die meisten Erneuerbaren sind (noch) Grid-Following.

Erneuerbare Energieanlagen wie Photovoltaik und Windkraft sind über Leistungselektronik, typischerweise Wechselrichter, an das Stromnetz gekoppelt. Aktuell arbeiten die meisten dieser Anlagen nach dem Grid-Following-Prinzip (stromgeregelt). Sie messen die aktuelle Netzfrequenz und -spannung, synchronisieren sich daran und speisen dann einen bestimmten Strom ein. Dieses System funktioniert gut, solange ausreichend "netzbildende" Einheiten im Netz vorhanden sind, die eine stabile Spannung und Frequenz vorgeben – eben die traditionellen Synchrongeneratoren.

Mit dem Rückgang konventioneller Kraftwerke fehlt jedoch zunehmend diese vorgegebene Stabilität. Das Netz wird passiver, und schnelle Frequenz- oder Spannungsschwankungen können schwerer abgefangen werden.

Um das Stromnetz auch mit einem sehr hohen Anteil an erneuerbarer, leistungselektronik-basierter Erzeugung stabil zu halten, ist ein grundsätzlicher Wandel in der Regelungsstrategie dieser Anlagen notwendig. Genau hier setzt Gridforming an. Anstatt sich passiv an ein bestehendes Netz anzupassen und Strom einzuspeisen (Grid-Following), werden Gridforming-Anlagen aktiv als Spannungsquellen betrieben. Sie sollen das Verhalten von Synchrongeneratoren emulieren, die ja selbst im Inneren eine rotierende Spannungsquelle besitzen. Bei einem Gridforming-Wechselrichter wird eine stabile interne Spannungsquelle vorgegeben, die sich zunächst nur langsam ändert, auch wenn es im Netz zu schnellen Veränderungen kommt.

Was können Gridforming-Anlagen? Ein Anforderungskatalog.

Die Umstellung auf Gridforming bedeutet, dass die Anlagen neue, netzstabilisierende Funktionen übernehmen müssen, die bisher hauptsächlich von Synchrongeneratoren erbracht wurden. Zu den Kernfähigkeiten netzbildender Wechselrichter gehören:

• Netzspannung erzeugen: Sie sind in der Lage, die notwendige Netzspannung selbst zu generieren und vorzugeben.
• Fehlerstützung: Sie tragen aktiv zur Stützung des Netzes bei Fehlern wie Kurzschlüssen bei.
• Virtuelle Schwungmasse / Momentanreserve: Sie stellen instantan (auf Millisekunden bis Sekunden-Skala) Leistung bereit und verlangsamen Frequenzänderungen durch Emulation der trägen Reaktion von Synchrongeneratoren. Dies ist die zentrale Fähigkeit, die wir zuvor als "virtuelle Schwungmasse" diskutiert haben. 
• Schwingungsdämpfung: Sie helfen dabei, Schwingungen im Netz zu bedämpfen.
• Spannungsqualität: Sie können die Spannungsqualität verbessern oder aufrechterhalten. Das Prinzip ist, dass der netzbildende Wechselrichter dem Stromnetz "instantan das zur Verfügung stellt, was das Stromnetz braucht". Diese Fähigkeiten sind entscheidend, um ein System zu betreiben, das zu 100% aus Leistungselektronik-basierten Anlagen besteht, ohne auf Synchrongeneratoren angewiesen zu sein.

Gridforming in den Netzanforderungen der Zukunft.

Das Konzept des Gridforming und die damit verbundenen Anforderungen werden voraussichtlich im Entwurf des RFG 2.0 (Requirements for Grid Connected Generators) eine sehr prominente Rolle spielen. Während das Thema "virtuelle Schwungmasse" in den aktuellen Richtlinien (RFG 1.0) bereits angelegt ist, ist es noch nicht wirklich gefordert und wird selten abgerufen. Mit RFG 2.0 wird die Implementierung der Gridforming-Fähigkeiten zur Notwendigkeit.

Labortests haben bereits gezeigt, dass Gridforming-Wechselrichter in der Lage sind, ein Netz bei Störungen schnell zu stabilisieren und sogar schneller auf Frequenzänderungen zu reagieren als ein traditioneller Generator. Dies untermauert, dass die Technologie bereit ist, eine Schlüsselrolle bei der Stabilität des zukünftigen Stromnetzes zu spielen. Gridforming ist somit nicht nur ein technischer Begriff, sondern eine zentrale Säule für den Erfolg der Energiewende, die es Leistungselektronik-basierten Anlagen ermöglicht, aktiv zur Netzstabilität beizutragen.

Welches sind die Anforderungen an netzbildende Wechselrichter?

• Fähigkeit, die Netzspannung zu erzeugen.
• Beitrag zur Fehlerstützung.
• Bereitstellung harmonischer Ströme oder Ungleichgewichte.
• Einbringung von Schwungmasse (Momentanreserve).
• Bedämpfung von Schwingungsinteraktionen.
• Laborversuche haben die Fähigkeiten von Gridforming Converters gezeigt:
• Bei einer plötzlichen Netzauftrennung (Inselbildung) mit einem Gridforming Converter brach die Spannung nur kurz zusammen und konnte innerhalb von weniger als einer Millisekunde stabilisiert werden.

Gridforming, also netzbildende Steuerung, ist für die Stabilität unseres zukünftigen Stromnetzes entscheidend. Es geht darum, die Funktionen zu ersetzen, die traditionell von großen Synchrongeneratoren in konventionellen Kraftwerken übernommen werden und die bei der Integration immer größerer Mengen erneuerbarer Energien, die oft über Leistungselektronik ans Netz gekoppelt sind, verloren gehen.

Während herkömmliche erneuerbare Anlagen nach dem Grid-Following-Prinzip agieren und sich passiv an ein bestehendes Netz "anhängen", indem sie Frequenz und Spannung messen und dann einen Strom einspeisen, müssen Gridforming-Anlagen eine viel aktivere Rolle übernehmen. Ihre Hauptaufgabe ist es, sich wie Spannungsquellen zu verhalten und das Verhalten von Synchrongeneratoren zu emulieren, um ein stabiles Netz zu bilden, selbst wenn kaum oder keine Synchrongeneratoren mehr vorhanden sind. Doch was bedeutet es konkret, als netzbildende Spannungsquelle zu agieren? Welche Fähigkeiten muss ein solcher Wechselrichter mitbringen? 

Zentraler Kernanforderungen und Fähigkeiten an netzbildende Wechselrichter.

Netzspannung erzeugen und Spannungscharakteristik vorgeben.

Gridforming-Wechselrichter müssen in der Lage sein, die notwendige Netzspannung aktiv zu generieren und eine stabile interne Spannungsquelle vorzugeben, die sich zunächst nur langsam ändert. Dies ist fundamental, da sie nicht mehr darauf angewiesen sind, dass andere Einheiten die Spannung vorgeben.

Beitrag zur Fehlerstützung (Fault Ride Through).

Bei Netzfehlern wie Kurzschlüssen müssen Gridforming-Anlagen das Netz aktiv stützen und nicht einfach abschalten. Dies beinhaltet die Fähigkeit, auch bei starken Spannungseinbrüchen (bis nahezu null Spannung für kurze Zeit) am Netz zu bleiben und zur Stabilität beizutragen.

Bereitstellung von virtueller Schwungmasse / Momentanreserve.

Dies ist eine der bekanntesten Gridforming-Fähigkeiten. Durch die Emulation der Trägheit von Synchrongeneratoren verlangsamen netzbildende Wechselrichter Frequenzänderungen im Netz. Sie stellen instantan (auf Millisekunden- bis Sekunden-Skala) die Leistung bereit, die das Netz in diesem Moment braucht, um Frequenzschwankungen abzufedern. Dies ist die "virtuelle Schwungmasse" in Aktion.

Dämpfung von Schwingungen.

Sie müssen dazu beitragen, Schwingungen im Netz zu bedämpfen. Dies kann sowohl Resonanzschwingungen betreffen, die durch Leistungselektronik entstehen können, als auch Inter-Area-Oszillationen, die schon lange bekannt sind, aber nun auch von neuen Anlagen gedämpft werden müssen.

Verbesserung oder Aufrechterhaltung der Spannungsqualität.

Sie sollten in der Lage sein, die Spannungsqualität im Netz positiv zu beeinflussen oder zumindest nicht zu verschlechtern. Dies umfasst auch die Robustheit gegenüber Oberschwingungen und anderen Spannungsbeeinflussenden Merkmalen.

Instantane Reaktion auf Netzbedürfnisse.

Unabhängig von ihrem eigenen optimalen Betriebspunkt müssen netzbildende Wechselrichter dem Stromnetz "instantan das zur Verfügung stellen, was das Stromnetz braucht". Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu Grid-Following, das eher auf einen vorgegebenen Sollwert hinregelt.

Leistungselektronik-basierte Anlagen.

Das Ziel dieser Anforderungen ist es, ein System zu ermöglichen, das zu 100% aus Leistungselektronik-basierten Anlagen bestehen kann, ohne auf die netzbildenden Eigenschaften traditioneller Generatoren angewiesen zu sein. Diese Fähigkeiten werden voraussichtlich im Entwurf des RFG 2.0 (Requirements for Grid Connected Generators), der gerade bei der EU-Kommission überarbeitet wird, sehr prominent gefordert werden. Dies stellt einen deutlichen Unterschied zum aktuellen RFG 1.0 dar, wo Themen wie virtuelle Schwungmasse zwar angelegt sind, aber noch nicht wirklich gefordert und abgerufen werden. Labortests haben bereits gezeigt, dass netzbildende Wechselrichter diese Anforderungen erfüllen können und sich bei Störungen schnell stabilisieren, teilweise sogar schneller als herkömmliche Generatoren. Die Anforderungen an netzbildende Wechselrichter sind also weit umfassender als bei ihren Grid-Following-Pendants. Sie sind der Schlüssel, um die notwendige Stabilität und Robustheit in ein Stromnetz zu bringen, das zunehmend von erneuerbaren Energien dominiert wird.

Was ist "Cross-Forming"?

"Cross-Forming" bezieht sich auf eine von der ETH Zürich entwickelte Steuerungsstrategie für netzbildende Wechselrichter. Diese Erfindung ermöglicht es Leistungswandlern, gleichzeitig ihre Stromstärke (current magnitude) und ihren Spannungswinkel (voltage angle) zu steuern, was als "Cross-Forming" bezeichnet wird.

Hintergrund und Notwendigkeit.

Klassische Grosskraftwerke (Wasser-, Kohle-, Atomkraftwerke) sorgten bisher mit ihrer trägen Mechanik für einen stabilen Wechselstromtakt im Netz. Wind- und Solarkraftwerke erzeugen Gleichstrom, der über Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt wird. Herkömmliche Wechselrichter folgen dabei dem bestehenden Netzfrequenz-Takt. Mit dem Wegfall der Grosskraftwerke fehlen zunehmend die taktgebenden Elemente. Zukünftig sind netzbildende Wechselrichter gefragt, die nicht nur einem Takt folgen, sondern aktiv mithelfen, diesen Takt stabil zu halten oder ihn sogar selbst vorzugeben.

Die Herausforderung bei Netzfehlern.

Ein grosses Problem bestand darin, wie netzbildende Wechselrichter bei Netzfehlern wie Spannungseinbrüchen oder Kurzschlüssen weiterarbeiten und gleichzeitig vor Überlastung geschützt werden können. Herkömmliche Schutzmechanismen führten dazu, dass sich Wechselrichter bei solchen Fehlern rigoros vom Netz trennten. Dies ist notwendig, da der Wechselrichter bei einem starken Spannungseinbruch versuchen würde, die fehlende Spannung durch hohe Stromabgabe auszugleichen, was zur Überlastung und Beschädigung führen würde.

Die Lösung: Neue Algorithmen und "Cross-Forming".

Das Forschungsteam um Professor Florian Dörfler an der ETH Zürich hat neue Algorithmen entwickelt, die netzbildenden Wechselrichtern ermöglichen, auch bei Netzfehlern am Netz zu bleiben und weiter Strom zu liefern. Die zündende Idee (von Maitraya Desai) war, bei Netzfehlern die Netzspannung und die Frequenz des Wechselstroms unabhängig voneinander zu behandeln. Da es schwierig ist, die Spannung bei einem Netzfehler zu halten, konzentriert sich der neue Regelalgorithmus auf die Taktfrequenz und versucht, diese unter allen Umständen im Netz stabil zu halten. Gleichzeitig begrenzt der Algorithmus die Stromstärke, um eine Überlastung des Wechselrichters zu verhindern. Dabei lässt er die Spannung frei schwanken. Diese Fähigkeit, den Spannungswinkel (durch Stabilisierung der Frequenz und Beibehaltung des Taktgebungsverhaltens) und gleichzeitig die Stromstärke (durch Begrenzung) zu steuern, wird als "Cross-Forming" bezeichnet.

Controller.

Der Controller, der dies ermöglicht, besteht aus vier Modulen, darunter ein "Cross-forming regulator" und ein "Limiter". Der Cross-forming regulator nutzt ein "virtual admittance relationship", um eine Stromreferenz zu generieren und stellt sicher, dass das Spannungswinkel-bildende Verhalten hinter einer virtuellen Impedanz erhalten bleibt, während die Spannungsamplitude adaptiv je nach Überstrombedingungen geändert wird. Der Limiter sorgt für eine schnelle Begrenzung der Stromstärke. Dies ermöglicht es den netzbildenden Wechselrichtern, sicher und stabil Netzfehler zu "durchfahren" (Fault Ride-Through) und Zusatzdienstleistungen wie Fehlerstromlieferung bereitzustellen.

Wie kann das Spannungswinkelverhalten für die Netzsynchronisation genutzt werden?

Der traditionelle Taktgeber im Netz.

Bisher sorgten die Generatoren klassischer Grosskraftwerke (Wasser-, Kohle-, Atomkraftwerke) mit ihrer einfachen und trägen Mechanik für einen stabilen Wechselstromtakt im Stromnetz. Sie gaben diesen Takt vor, indem der Strom eine Hundertstelsekunde in die eine und anschliessend in die andere Richtung fliesst. Die physikalische Trägheit dieser rotierenden Massen stabilisierte den Takt.

Die Rolle herkömmlicher Wechselrichter.

Wind- und Solarkraftwerke erzeugen Gleichstrom, der mittels Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt wird. Herkömmliche Wechselrichter orientieren sich am bestehenden Netzfrequenz-Takt und speisen ihren Strom synchron dazu ein. Sie folgen also einem Takt, der von den Grosskraftwerken vorgegeben wird.

Das Problem bei der Energiewende.

Wenn im Zuge der Energiewende immer mehr Kohle- und Atomkraftwerke vom Netz gehen, fehlen diese taktgebenden Grosskraftwerke. Es fehlt der "Ersatz" für diese Taktgeber.

Die Notwendigkeit netzbildender Wechselrichter.

Zukünftig werden netzbildende Wechselrichter benötigt, die nicht einfach nur einem vorgegebenen Takt folgen, sondern aktiv mithelfen, den Takt stabil zu halten oder sogar selbst einen Takt vorzugeben. Sie sollen die Rolle übernehmen, die heute den klassischen Grosskraftwerken zukommt.

Die Herausforderung bei Netzfehlern und die ETH-Lösung.

Ein grosses Problem bestand darin, netzbildende Wechselrichter bei Netzfehlern (wie Spannungseinbrüchen oder Kurzschlüssen) weiterbetreiben zu können, da sie sich bisher zum Schutz abschalteten. Die ETH Zürich hat mit neuen Algorithmen eine Lösung gefunden, die den Weiterbetrieb auch bei Fehlern ermöglicht. Die zentrale Idee war, bei Netzfehlern die Netzspannung und die Frequenz des Wechselstroms unabhängig voneinander zu behandeln. Da es schwierig ist, die Spannung zu halten, konzentriert sich der neue Regelalgorithmus darauf, die Taktfrequenz unter allen Umständen im Netz stabil zu halten.

Spannungswinkelverhalten und Netzsynchronisation.

Die Fähigkeit, die Frequenz stabil zu halten, ist direkt mit der Steuerung des Spannungswinkels verbunden. In einem Wechselstromnetz sind die relative Frequenz und der Winkel zwischen den Spannungen an verschiedenen Punkten entscheidend für den Leistungsfluss und die Stabilität (Synchronisation). Die neuen Algorithmen, die zum "Cross-Forming" fähig sind, ermöglichen es netzbildenden Wechselrichtern, gleichzeitig die Stromstärke zu begrenzen und ihr Spannungswinkelverhalten beizubehalten. Dieses bewahrte Spannungswinkelverhalten ("voltage angle forming behavior") wird explizit für die Netzsynchronisation ("grid synchronization") und die Bereitstellung dynamischer Zusatzdienstleistungen ("dynamic ancillary services provision") genutzt.

Funktionsweise bei Fehlern.

Konkret bedeutet dies, dass der neue Regelalgorithmus den Strom begrenzt, um den Wechselrichter vor Überlastung zu schützen, während er sich darauf konzentriert, die Frequenz (und damit den Spannungswinkel) stabil zu halten. Dies ermöglicht es den Anlagen, auch bei Netzfehlern am Netz zu bleiben, weiterhin Strom zu liefern und so aktiv zur Stabilisierung der Netzfrequenz beizutragen. Indem sie die Frequenz stabil halten, tragen die netzbildenden Wechselrichter massgeblich zur Synchronisation und damit zur Gesamtstabilität des Netzes bei.

Wie wurden die neuen Algorithmen entwickelt?

Die Entwicklung der neuen Algorithmen, die netzbildenden Wechselrichtern ermöglichen, auch bei Netzfehlern am Netz zu bleiben und aktiv zur Netzstabilität beizutragen, wurde von einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Florian Dörfler an der ETH Zürich durchgeführt. Professor Dörfler selbst weist darauf hin, dass er und andere bereits seit 15 Jahren auf diesem Forschungsgebiet tätig sind. Die "zündende Idee" für den neuen Ansatz, der es ermöglicht, die Probleme beim Betrieb netzbildender Wechselrichter während Netzstörungen zu lösen, kam von Maitraya Desai, einem Masterstudenten aus Professor Dörflers Gruppe, der mittlerweile an der ETH promoviert. Desai erkannte, dass es bei Netzfehlern am besten ist, die Netzspannung und die Frequenz des Wechselstroms unabhängig voneinander zu behandeln. Da es schwierig ist, die Spannung bei einem Netzfehler stabil zu halten, konzentriert sich der entwickelte Regelalgorithmus darauf, die Taktfrequenz unter allen Umständen im Netz stabil zu halten, während gleichzeitig der Strom begrenzt wird, um eine Überlastung des Wechselrichters zu verhindern.

Der Entwicklungsprozess, dem die ETH-Forschenden folgten, umfasste mehrere Schritte:

• Zunächst wurden Berechnungen angestellt.
• Diese Berechnungen wurden anschliessend in Computersimulationen überprüft.
• Schliesslich wurden die Algorithmen in einer kleinen Testanlage im Labor getestet.

Der resultierende Controller, der diese Fähigkeiten ermöglicht, wird als aus vier Modulen bestehend beschrieben. Ein zentrales Element ist dabei der "Cross-forming regulator", der zusammen mit dem "Limiter" das Spannungswinkel-bildende Verhalten ("voltage angle forming behavior") beibehält und das Stromstärke-bildende Verhalten ("current magnitude forming behavior") erzwingt. Der Cross-forming regulator verwendet eine "virtual admittance relationship", um eine Stromreferenz zu erzeugen, und stellt sicher, dass das Spannungswinkel-bildende Verhalten hinter einer virtuellen Impedanz erhalten bleibt, während die Spannungsamplitude sich adaptiv an Überstrombedingungen anpasst. Der Limiter sorgt für eine schnelle Begrenzung der Stromstärke.

Bei den entwickelten Algorithmen handelt es sich um "reine Softwareverbesserungen". Dies ist ein wichtiger Aspekt für die Implementierung in der Praxis, da die Industrie die Algorithmen direkt in ihre Steuerungssoftware übernehmen kann, ohne neue Hardware oder Demonstrationsanlagen bauen zu müssen.

Die ETH Zürich hat die neuen Algorithmen zum Patent angemeldet. Professor Dörfler plant eine enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um den neuen Ansatz in deren Produkte zu integrieren. Dabei sollen auch Masterstudierende im Rahmen ihrer Abschlussarbeiten in Industrieunternehmen die Implementierung unterstützen.

Welche technischen Probleme wurden gelöst?

Das Hauptproblem, das von den Forschenden der ETH Zürich unter der Leitung von Professor Florian Dörfler angegangen wurde, betrifft das Verhalten von netzbildenden Wechselrichtern während Netzfehlern wie Spannungseinbrüchen und Kurzschlüssen. Die Problematik lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Notwendigkeit der Trennung vom Netz.

Bisherige Wechselrichter schalteten sich bei Netzfehlern rigoros vom Netz ab. Dieser radikale Schutzmechanismus ist notwendig, um den Wechselrichter vor Überlastung und irreparabler Beschädigung zu schützen. Bei einem starken Spannungseinbruch würde der Wechselrichter versuchen, die fehlende Spannung durch Abgabe eines hohen Stroms auszugleichen, was zur Überlastung führen würde.

Verlust der Stabilisierungsfunktion während Fehlern.

Dieses Abschalten hat zur Folge, dass Wind- und Solaranlagen während eines Netzfehlers keinen Strom mehr liefern und somit nicht zur Stabilisierung der Netzfrequenz beitragen können. Genau diese Fähigkeit – das Mithelfen bei der Stabilisierung des Taktes – ist aber die zentrale Rolle, die netzbildende Wechselrichter in zukünftigen Netzen übernehmen sollen, um die Funktion der ausscheidenden Grosskraftwerke zu ersetzen.

Fehlende Lösung für netzbildende Wechselrichter.

Für Ingenieure gab es laut den Quellen bisher keine funktionierende Lösung dafür, wie netzbildende Wechselrichter bei einem Kurzschluss oder einem Spannungseinbruch im Stromnetz weiterarbeiten und zugleich vor Überlastung geschützt werden können. Die technische Herausforderung bestand darin, gleichzeitig den Fehlerstrom zu begrenzen, die transiente Stabilität zu wahren und Zusatzdienstleistungen zu erbringen.

Die Lösung der ETH Zürich durch die neuen Algorithmen löst diese Probleme:

Kontinuierlicher Betrieb auch bei Fehlern.

Die neuen Algorithmen ermöglichen es netzbildenden Wechselrichtern, auch bei einem Netzfehler weiterzubetreiben. Es gibt damit kein rigoroses Abschalten mehr.

Gleichzeitige Steuerung von Stromstärke und Spannungswinkel ("Cross-Forming").

Die Erfindung ermöglicht es Leistungswandlern, gleichzeitig ihre Stromstärke (current magnitude) und ihren Spannungswinkel (voltage angle) zu steuern. Dies wird als "Cross-Forming" bezeichnet.

Intelligente Regelung bei Fehlern.

Die "zündende Idee" bestand darin, bei Netzfehlern die Netzspannung und die Frequenz des Wechselstroms unabhängig voneinander zu behandeln. Da es schwierig ist, die Spannung zu halten, konzentriert sich der Regelalgorithmus darauf, die Taktfrequenz unter allen Umständen stabil zu halten (was mit dem Spannungswinkelverhalten zusammenhängt).

Begrenzung des Stroms zum Schutz.

Gleichzeitig begrenzt der Algorithmus den Strom, um eine Überlastung des Wechselrichters zu verhindern, während die Spannung frei schwanken darf. Ein "Limiter"-Modul im Controller erzwingt eine schnelle Begrenzung der Stromstärke.

Beibehalten des netzbildenden Verhaltens.

Der "Cross-forming regulator" sorgt zusammen mit dem "Limiter" dafür, dass das Spannungswinkel-bildende Verhalten ("voltage angle forming behavior") erhalten bleibt, während die Stromstärke begrenzt wird. Dieses erhaltene Spannungswinkelverhalten ist entscheidend für die Netzsynchronisation und die Bereitstellung dynamischer Zusatzdienstleistungen.

Die neuen Algorithmen der ETH Zürich haben das kritische Problem gelöst, wie netzbildende Wechselrichter bei Netzfehlern aktiv bleiben, das Netz stützen und gleichzeitig vor Überlastung geschützt werden können, anstatt sich schützend vom Netz zu trennen. Dies gelingt durch die gleichzeitige, intelligente Steuerung von Stromstärke und Spannungswinkel, indem die Frequenz stabil gehalten und der Strom begrenzt wird. Durch diese Fähigkeit, auch bei Netzfehlern am Netz zu bleiben, weiterhin Strom zu liefern und zur Stabilisierung der Netzfrequenz beizutragen, können Wind- und Solaranlagen mit diesen neuen Algorithmen die Rolle der klassischen Grosskraftwerke übernehmen. Die Algorithmen ermöglichen ein sicheres und stabiles Durchfahren von Netzfehlern ("fault ride-through") und die schnelle Bereitstellung von Zusatzdienstleistungen wie Fehlerströmen, während der Strom auf einem vorgegebenen Niveau begrenzt wird.

Welches sind die Vorteile der neuen Algorithmen?

Da es schwierig ist, die Spannung bei einem Netzfehler stabil zu halten, konzentriert sich der entwickelte Regelalgorithmus darauf, die Taktfrequenz unter allen Umständen im Netz stabil zu halten.

Vorteile der neuen Algorithmen:

• Weiterbetrieb bei Netzfehlern: Sie ermöglichen es netzbildenden Wechselrichtern, auch bei einem Netzfehler weiterzubetreiben. Ein rigoroses Abschalten gehört damit der Vergangenheit an.
• Beitrag zur Netzstabilität während Fehlern: Dadurch können Wind- und Solaranlagen auch bei einem Netzfehler am Netz bleiben, weiterhin Strom liefern und so zur Stabilisierung der Netzfrequenz beitragen. Sie können so die Rolle der klassischen Grosskraftwerke übernehmen.
• Schutz vor Überlastung: Der Algorithmus begrenzt gleichzeitig den Strom, um eine Überlastung des Wechselrichters zu verhindern, während die Spannung frei schwanken darf.
• "Cross-Forming" Fähigkeit: Die Erfindung ermöglicht Leistungswandlern, gleichzeitig ihre Stromstärke (current magnitude) und ihren Spannungswinkel (voltage angle) zu steuern. Dies wird als "Cross-Forming" bezeichnet.
• Beibehaltung netzbildenden Verhaltens: Der "Cross-forming regulator" sorgt dafür, dass das Spannungswinkel-bildende Verhalten ("voltage angle forming behavior") erhalten bleibt, was wichtig für die Netzsynchronisation und die Bereitstellung dynamischer Zusatzdienstleistungen ist.
• Einfache Implementierung: Die entwickelten Algorithmen sind "reine Softwareverbesserungen". Die Industrie kann sie daher direkt in ihre Steuerungssoftware übernehmen, ohne neue Hardware oder Demonstrationsanlagen bauen zu müssen.
• Beitrag zur allgemeinen Netzstabilität: Die neuen Algorithmen tragen zur Stabilität des Stromnetzes bei und verringern das Risiko von Blackouts.
• Unterstützung der Energiewende: Sie ebnen den Weg von zentralen Grosskraftwerken hin zu einem dezentralen, flexiblen System kleinerer Kraftwerke und könnten so zu einem entscheidenden Baustein der Energiewende werden.

Technische Daten.

Die Fähigkeiten und die Funktionsweise der Algorithmen und des resultierenden Controllers als detaillierte numerische "technische Daten" im Sinne von spezifischen Parameterwerten, sind:

• Struktur des Controllers: Der Controller, der auf den neuen Algorithmen basiert, besteht aus vier Modulen.
• Hauptfähigkeit ("Cross-Forming"): Die Erfindung ermöglicht es Leistungswandlern, gleichzeitig ihre Stromstärke (current magnitude) und ihren Spannungswinkel (voltage angle) zu steuern. Dies wird als "Cross-Forming" bezeichnet.
• Verhalten bei Netzfehlern: Die Algorithmen ermöglichen den Weiterbetrieb von netzbildenden Wechselrichtern auch bei Netzfehlern wie Spannungseinbrüchen und Kurzschlüssen. Ein rigoroses Abschalten findet damit nicht mehr statt.
• Unabhängige Behandlung von Spannung und Frequenz bei Fehlern: Die Kernidee ist die unabhängige Behandlung von Netzspannung und Frequenz des Wechselstroms während Netzfehlern.
• Konzentration auf Frequenzstabilität: Da es schwierig ist, die Spannung bei einem Netzfehler stabil zu halten, konzentriert sich der Regelalgorithmus darauf, die Taktfrequenz unter allen Umständen im Netz stabil zu halten. Dies hängt mit dem Spannungswinkelverhalten zusammen.
• Strombegrenzung zum Schutz: Gleichzeitig begrenzt der Algorithmus den Strom, um eine Überlastung des Wechselrichters zu verhindern. Der Strom wird schnell auf ein vorgegebenes Niveau begrenzt.
• Freies Schwanken der Spannung bei Begrenzung: Während der Strom begrenzt wird, lässt der Algorithmus die Spannung frei schwanken.
• Beibehaltung netzbildenden Verhaltens: Der "Cross-forming regulator" zusammen mit dem "Limiter" stellt sicher, dass das Spannungswinkel-bildende Verhalten ("voltage angle forming behavior") erhalten bleibt, während die Stromstärke begrenzt wird. Dieses Verhalten ist wichtig für die Netzsynchronisation und die Bereitstellung dynamischer Zusatzdienstleistungen.
• Schnelle Bereitstellung von Zusatzdienstleistungen: Die Algorithmen ermöglichen die schnelle Bereitstellung von Zusatzdienstleistungen (ancillary services) wie Fehlerströmen (fault currents) und Fehlerblindstromeinspeisung (fault reactive current injection) während der Strombegrenzung.
• Regelung basierend auf virtueller Admittanz: Der "Cross-forming regulator" generiert eine Stromreferenz basierend auf einer virtuellen Admittanz-Beziehung.
• Konstante virtuelle Impedanz: Die resultierende virtuelle Impedanz ist konstant, was die Analyse der transienten Stabilität erleichtert.
• Anpassung an Netzparameter: Die Steuerung des Wechselrichters misst kontinuierlich die Netzparameter und passt den Wechselrichter über eine Rückkoppelungsschleife in Echtzeit an.
• Implementierung: Die Algorithmen sind reine Softwareverbesserungen. Die Industrie kann sie direkt in ihre Steuerungssoftware übernehmen.
• Leistungsmerkmale: Die Algorithmen sind schnell, können die Überstromfähigkeit voll ausnutzen, sind an verschiedene Störungen anpassbar, einfach zu implementieren, leicht einzustellen (tune) und robust in der Stabilität.
• Schutzmechanismen: Ermöglichen sicheres und stabiles Durchfahren von Netzfehlern (Fault Ride-Through). Limitieren schnell Fehlerströme.

Diese Punkte beschreiben die wesentlichen technischen Fähigkeiten und den Ansatz der neuen Algorithmen, wie er in den bereitgestellten Quellen dargestellt ist.

ETH Patente.

Was genau wurde patentiert?

Die Erfindung betrifft die Steuerung von netzbildenden Wechselrichtern, die einen Weiterbetrieb auch bei Netzfehlern erlaubt.

Die zugrundeliegenden Algorithmen und der darauf basierende Controller.

Ein Kernaspekt der Erfindung ist das sogenannte "Cross-Forming". Dies ermöglicht es Leistungswandlern, gleichzeitig ihre Stromstärke (current magnitude) und ihren Spannungswinkel (voltage angle) zu steuern.

Der Controller, der aus vier Modulen besteht, sorgt dafür, dass das Spannungswinkel-bildende Verhalten (voltage angle forming behavior) erhalten bleibt, während die Stromstärke schnell auf ein vorgegebenes Niveau begrenzt wird.

Anwendungen mit netzbildenden Wechselrichtern?

Die Hauptanwendung der mit den neuen ETH-Algorithmen ausgestatteten netzbildenden Wechselrichter ist die Integration und Stabilisierung von erneuerbaren Energiequellen in das Stromnetz. Konkret ermöglichen die Algorithmen:

Weiterbetrieb von Wind- und Solaranlagen bei Netzfehlern.

Dies ist die zentrale Anwendung, die durch die Algorithmen ermöglicht wird. Statt sich aus Sicherheitsgründen abzuschalten, können die Anlagen am Netz bleiben.

Beitrag zur Netzfrequenzstabilität während Fehlern.

Indem Wind- und Solaranlagen am Netz bleiben und weiterhin Strom liefern, können sie auch während eines Netzfehlers zur Stabilisierung der Netzfrequenz beitragen.

Übernahme der Taktgeber-Rolle.

Mit dieser Fähigkeit können erneuerbare Energieanlagen die Funktion übernehmen, die heute den klassischen Grosskraftwerken zukommt. Sie geben den Takt für das Wechselstromnetz vor, anstatt ihm nur zu folgen.

Begrenzung von Fehlerströmen.

Die Algorithmen begrenzen schnell den Fehlerstrom auf ein vorgegebenes Niveau, um eine Überlastung und Beschädigung des Wechselrichters zu verhindern. Dies ist eine kritische Schutzfunktion, die gleichzeitig den Weiterbetrieb ermöglicht.

Bereitstellung von Zusatzdienstleistungen.

Die Technologie ermöglicht die schnelle Bereitstellung dynamischer Zusatzdienstleistungen (ancillary services) wie Fehlerströmen (fault currents) und Fehlerblindstromeinspeisung (fault reactive current injection) während der Strombegrenzung.

Breite Anwendung im Stromnetz.

Zukünftig werden netzbildende Wechselrichter aufgrund ihrer wichtigen Rolle in zukünftigen Netzen weit verbreitet eingesetzt werden. Die Quellen nennen spezifisch den Einsatz in Erzeugungs-, Übertragungs-, Verteilungs- und Energiespeichersystemen.

Welches sind die künftigen Märkte von netzbildenden Wechselrichtern?

Die künftigen Märkte für diese fortschrittlichen Wechselrichter sind überall dort, wo netzbildende Wechselrichter mit diesen verbesserten Fähigkeiten zukünftig eingesetzt werden. Da netzbildende Wechselrichter eine entscheidende Rolle in zukünftigen Netzen spielen werden, gibt es einen grossen Marktbedarf für hochleistungsfähige Produkte. Die neuen Algorithmen sind dabei reine Softwareverbesserungen. Die Industrie muss keine neuen Hardware-Demonstrationsanlagen bauen, sondern kann die Algorithmen direkt in ihre bestehende Steuerungssoftware übernehmen. Dies erleichtert die Integration durch Industriepartner, die Professor Dörfler aktiv sucht, um den neuen Ansatz in ihre Produkte zu integrieren. Die künftigen Einsatzgebiete, die in den Quellen explizit genannt werden, umfassen ein breites Spektrum des Energiesystems:

Erzeugungssysteme (Generation).

Dies beinhaltet vor allem die Integration von Windkraft- und Photovoltaikanlagen. Mit den neuen Algorithmen können diese Anlagen auch bei Netzfehlern am Netz bleiben, Strom liefern und so zur Netzfrequenzstabilität beitragen, indem sie die Rolle klassischer Grosskraftwerke übernehmen.

Übertragungssysteme (Transmission).

Netzbildende Wechselrichter sind hier wichtig, um die Stabilität des gesamten Übertragungsnetzes sicherzustellen, insbesondere durch die Bereitstellung von dynamischen Zusatzdienstleistungen wie Fehlerströmen und Fehlerblindstromeinspeisung während der Strombegrenzung. Die Algorithmen tragen zur Stabilität des Stromnetzes bei und verringern das Risiko von Blackouts. Sie können auch benötigt werden, um zwei Wechselstromnetze miteinander zu verbinden.

Verteilungssysteme (Distribution).

Auch in den lokalen und regionalen Verteilnetzen spielen netzbildende Wechselrichter eine Rolle, insbesondere mit dem zunehmenden Ausbau dezentraler erneuerbarer Energiequellen und Verbraucher wie Elektromobilität und Wärmepumpen. Die Fähigkeit, auch bei Fehlern am Netz zu bleiben und Stabilität zu bieten, ist auch auf dieser Ebene entscheidend.

Energiespeichersysteme (Energy Storage Systems).

Batteriespeicher und andere Speichersysteme, die über Wechselrichter an das Netz angebunden sind, können ebenfalls netzbildende Funktionen übernehmen und werden als wichtiger Markt für diese Technologie genannt. Sie können sowohl zur Glättung der Einspeisung erneuerbarer Energien als auch zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen beitragen.

Herstellung und Integration von netzbildenden Wechselrichtern.

Die Hauptmärkte für diese Technologie liegen in der Herstellung und Integration von Wechselrichtern für Erzeugungs-, Übertragungs-, Verteilungs- und Energiespeichersysteme. Hier werden Unternehmen der Wechselrichterindustrie die von der ETH patentierten Algorithmen in ihre Produkte integrieren, um so die Netzstabilität von morgen zu gewährleisten.

Grid Codes und Netzbildende Wechselrichter.

Dr. Sönke Rogalla, Abteilungsleiter Leistungselektronik und Netzintegration, erläutert, wie Wechselrichter in einem Stromsystem ohne Großkraftwerke netzbildend wirken. Dafür sind Regelungscodes nötig, die in Mikrosekunden Ströme und Spannungen erfassen und die Leistungshalbleiter so steuern, dass die Geräte erforderliche netzdienliche Verhalten zeigen.

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Vielen Dank an Fraunhofer ISE.

Stromausfall Spanien, Portugal – Gefahr von Blackouts und Brownouts in der Schweiz – eine Risikoabschätzung.

Stromausfall Spanien, Portugal.

Disclaimer / Abgrenzung

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Bilder Stromnetz: © Bruno Giordano.