Welche Arten von Wechselrichtern gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Wechselrichtern, die sich hauptsächlich in ihrer Steuerungsart, ihrem Verhalten gegenüber dem Stromnetz und ihren Anwendungsbereichen unterscheiden. Die wichtigsten Kategorien sind netzfolgende, netzbildende, selbstgeführte (Insel-) und fremd- oder netzgeführte Wechselrichter sowie Hybrid- und Batterie-Backup-Wechselrichter.

Arten von Wechselrichtern und ihre technischen Daten:

Netzfolgende Wechselrichter (Grid Supporting Inverter, GSI):

• Grundfunktion: Ihre primäre Aufgabe ist es, die erzeugte Leistung (z.B. von Photovoltaik- oder Windenergieanlagen) effizient in ein bestehendes Energieversorgungsnetz einzuspeisen.
• Verhalten als Quelle: Sie verhalten sich wie eine Stromquelle, die einen gewünschten Strom in Amplitude und Phasenlage in das Netz einspeist.
• Netzsynchronisation: Benötigen eine feste Wechselspannung im Netz und synchronisieren sich mit dessen Takt, oft mithilfe einer Phasenregelschleife (Phase-Locked-Loop, PLL). Sie sind "Netz-folgend", da sie einem bereits vorhandenen Netz folgen.
• Momentanreserve: Können nicht instantan auf Änderungen des Netzzustandes reagieren und daher keine Momentanreserve (oder synthetische Schwungmasse) bereitstellen. Die Momentanreserve ist die Systemträgheit im Netz, die schnelle Frequenzabweichungen dämpft.
• Reaktionszeit bei Netzfehlern (Fault-Ride-Through, FRT):
• Die Aktivierung der dynamischen Netzstützung erfolgt nach Fehlerdetektion und dauert typischerweise 8 bis 20 Millisekunden. Erst danach beginnt die Blindstromeinspeisung zur Spannungsstützung.
• Netzbildende Wechselrichter reagieren mit 2 ms deutlich schneller als netzfolgende mit 8 ms bei der Blindstromeinspeisung.
• Sie erreichen 90 % des Blindstrom-Endwerts in etwa 22 ms.
• Wirkstromwiederkehr: Nach Fehlerbehebung und Rückkehr der Netzspannung benötigen sie längere Zeiträume zur Wiederherstellung des Wirkstroms auf den Vorfehlerwert; Labormessungen ergaben 1,7 Sekunden zum Erreichen von 90 % des stationären Endwerts.
• Verhalten bei Netzausfall: Bei dauerhaftem Spannungsverlust (Netzausfall) trennen sie sich galvanisch vom Netz. Sie sind nicht notstrombetriebsfähig und es besteht kein Risiko einer Weiterinspeisung in ein spannungsloses Netz.

Regulierung und Funktionen:

• Müssen netzstützende Funktionen wie die dynamische Netzstützung (FRT) erfüllen.
• Können Blindströme in Abhängigkeit der Spannung einspeisen, um die Netzspannung zu stützen.
• Die spannungsabhängige Wirkleistungsregelung P(U) kann aktiviert werden, um die Produktionsleistung zu reduzieren, sobald die Spannung einen Grenzwert überschreitet. Dies hilft, Spannungsprobleme dezentral und ohne externe Kommunikationssysteme zu beheben. Die P(U)-Regelung ist kostengünstig und sicher.
• In der Schweiz kann bei netzfolgenden PV-Wechselrichtern auf einen zusätzlichen externen Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) verzichtet werden, wenn sie über einen normkonformen internen NA-Schutz mit den korrekten Schweizer Ländereinstellungen (VSE-Branchenempfehlung NA/EEA-NE7 – CH 2020) verfügen.

Anwendung: 

Finden sich in den meisten derzeit installierten Photovoltaik- und Windenergieanlagen im Energieversorgungsnetz. Im technischen Anschlussgesuch werden sie als Anlagen für den reinen „Netzparallelbetrieb“ eingestuft.

Netzbildende Wechselrichter (Grid Forming Inverter, GFI):

• Grundfunktion: Sind darauf programmiert, sich wie eine Spannungsquelle zu verhalten und das Energiesystem aktiv zu stabilisieren (das Netz zu "bilden"). Dadurch können Netze nur mit Wechselrichtern auf Basis von Erneuerbaren Energien und netzbildenden Speichern betrieben werden.
• Verhalten als Quelle: Weisen ein spannungseinprägendes Verhalten auf und stellen eine Spannung mit definierter Amplitude und Phasenlage zur Verfügung. Sie sind idealisiert als Wechselspannungsquelle mit niedriger Ausgangsimpedanz darstellbar.
• Momentanreserve (Synthetische Schwungmasse): Können Momentanreserve bereitstellen und damit die Systemträgheit ersetzen, die bisher von Synchrongeneratoren geliefert wurde. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu netzfolgenden Wechselrichtern.
• Dadurch ist der anfängliche Frequenzgradient nach einer Netzauftrennung geringer als bei netzfolgenden Wechselrichtern.

Reaktionszeit bei Netzfehlern:

• Reagieren in Netzfehlersituationen instantan auf den neuen Netzzustand, da sich die Ausgangsströme unmittelbar anpassen.
• Erreichen 90 % des Blindstrom-Endwerts in etwa 7 ms, was dreimal schneller ist als bei netzstützenden Wechselrichtern (22 ms).
• Die Wirkstromwiederkehr nach Fehlerklärung ist schneller; Labormessungen ergaben 0,7 Sekunden zum Erreichen von 90 % des stationären Endwerts.
• Neue Algorithmen ermöglichen es, dass netzbildende Wechselrichter bei Netzfehlern am Netz bleiben und Strom liefern, anstatt sich zum Selbstschutz abzuschalten. Der Algorithmus versucht die Frequenz stabil zu halten, begrenzt dabei den Strom und lässt die Spannung frei schwanken.
• Schwarzstartfähigkeit: Können sich selbst starten und als Starteinheit für den Netzwiederaufbau dienen, indem sie als erste Anlage überhaupt die Spannung bereitstellen. Diese Fähigkeit ist bei Batterie-Wechselrichtern besonders relevant.

Benötigte technische Eigenschaften:

• Erfordern eine neue Regelung (Software) auf dem Wechselrichter, die Netzbildung ermöglicht und alle anderen Anlagenfunktionen beibehält.
• Überlastfähigkeit ist wichtig, um schnell zusätzliche Leistung (Momentanreserve) abgeben zu können. Im Gegensatz zu Synchrongeneratoren sind Wechselrichter jedoch nur begrenzt überlastfähig.
• Das Verhalten des Wechselrichters im Betrieb wird anders sein, da er bei Bedarf aufgrund der Netzstabilität vom Sollwert abweichen muss.

Anwendung und Marktentwicklung:

• Sind entscheidend für ein zukünftiges Energiesystem mit 100 % erneuerbaren Energien, das ohne konventionelle Kraftwerke auskommt.
• Derzeit liegt der Fokus auf Grossanlagen (ab ca. 10 Megawatt bis in den Gigawatt-Bereich), insbesondere grosse Batteriespeicher in Hoch- und Höchstspannung.
• Grossbritannien ist Vorreiter bei der Einführung von Stabilitätsdienstleistungen (Momentanreserve, Kurzschlussleistung) durch netzbildende Batteriespeicher. Deutschland wird voraussichtlich der erste kontinentaleuropäische Markt dafür.
• Sie können auch in schwachen Netzen zur lokalen Stabilität (Spannungsstabilisierung) und zur Verschiebung des Energietransports eingesetzt werden.
• Es fehlt noch ein allgemeingültiges und umsetzungsneutrales Nachweisverfahren für netzbildende Wechselrichter.

Vergleich mit Synchrongeneratoren: Batterien mit netzbildenden Wechselrichtern sind sehr effizient, da sie Energiespeicherung und Systemstabilität gleichzeitig ermöglichen. Sie sind flexibler und kostengünstiger als Synchrongeneratoren, die oft nur für die Stabilisierung im Phasenschieberbetrieb eingesetzt werden und dafür zu teuer sind.

Selbstgeführte Wechselrichter (Inselwechselrichter):

• Funktion: Wandeln Gleichspannung in Wechselspannung um und können eine Wechselspannung unabhängig vom Stromnetz erzeugen und ein sogenanntes Inselnetz aufbauen (netzführend).
• Netzreferenz: Benötigen keine Referenz vom Netz, da ihre Ventile mit einem vom Wechselrichter selbst erzeugten Takt an- und ausgeschaltet werden können.
• Ausgangsspannungsform: Die Ausgangsspannungsform kann von der Sinusform abweichen (Rechteck- und Trapez-Wechselrichter, auch "modifizierter Sinus" oder "Quasi-Sinus" genannt). Sinuswechselrichter erzeugen aus einer Gleichspannung eine Sinuswechselspannung.
• Anwendung: Berghütten, Wetterstationen ohne Netzanbindung, mobile Geräte, Wechselrichter in Wohnmobilen und auf Booten. Auch in Unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) in Krankenhäusern, Kraftwerken und Rechenzentren.

Fremd- oder netzgeführte Wechselrichter:

• Funktion: Dienen dazu, Energie von der Gleichspannungsseite in das Wechselstromnetz einzuspeisen; die umgekehrte Richtung ist oft ebenfalls möglich.
• Netzreferenz: Benötigen zur Funktion eine feste Wechselspannung im Netz und beziehen Kommutierungsblindleistung.
• Verhalten bei Netzstörungen: Verfügen über eine Abschaltung der Anlage bei Netzstörungen, um Überspannung oder Spannung in abgeschalteten Netzabschnitten zu vermeiden (geregelt nach VDE-Norm 0126).
• Anwendung: An einspeisefähigen (netzgekoppelten) Photovoltaikanlagen und Brennstoffzellen, zur Netzkopplung von Windkraftanlagen mit variabler Drehzahl und Gleichspannungszwischenkreis, zur Energierückgewinnung (Bremsenergienutzung) an 2-Quadranten-Frequenzumrichtern.

Hybrid- und Batterie-Backup-Wechselrichter:

• Funktion: Vereinen Netz- und Batteriefunktionen, wodurch sie sowohl ans Netz angeschlossen als auch für Batteriepufferung geeignet sind.
• Anwendung: Besonders gefragt, da sie eine nahtlose Energieversorgung gewährleisten und bei Stromausfällen einspringen können.

Der Wirkungsgrad halbleiterbasierter Wechselrichter kann bis zu 99 Prozent erreichen. Die Installation erfordert Fachwissen und sollte von einem zertifizierten Elektriker durchgeführt werden, inklusive regelmässiger Wartung und Software-Updates. Zukünftige Entwicklungen umfassen KI-gesteuerte Optimierung, verbesserte Effizienz durch neue Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), Integration in Smart Grids und kompaktere Designs.

Was sind netzbildende Wechselrichter und wie unterscheiden sie sich?

Wechselrichter sind das Herzstück der modernen Energieversorgung mit erneuerbaren Energien. Ihre primäre Aufgabe ist die Umwandlung von Gleichstrom (DC) aus Quellen wie Photovoltaik-Anlagen oder Batterien in nutzbaren Wechselstrom (AC) für das Stromnetz.

Man unterscheidet im Wesentlichen zwei Haupttypen von Wechselrichterregelungen:

• Netzfolgende Wechselrichter (Grid Supporting Inverter, GSI):
• Dies ist der aktuell noch weit verbreitete Standard.

Sie verhalten sich wie Stromquellen und sind darauf programmiert, eine bestimmte Leistung in ein bereits vorhandenes, starres Stromnetz einzuspeisen.

Netzfolgende Wechselrichter benötigen eine feste Wechselspannung im Netz und synchronisieren sich mit dessen Takt.

Sie können nicht instantan auf Änderungen des Netzzustandes reagieren und stellen daher keine Momentanreserve bereit. Zwar können sie netzstützende Funktionen wie die dynamische Blindstromeinspeisung (Fault-Ride-Through) erfüllen, um die Spannung bei Fehlern zu stützen, aber dies erfolgt erst nach einer Fehlerdetektion, typischerweise mit einer Verzögerung von 10-20 ms.

Für netzfolgende PV-Wechselrichter kann auf einen zusätzlichen externen Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) verzichtet werden, wenn die Anlage ausschliesslich aus solchen Wechselrichtern besteht, diese über einen normkonformen internen NA-Schutz verfügen und die Einstellungen den Schweizer Ländereinstellungen gemäss VSE-Branchenempfehlung entsprechen. Netzfolgende Wechselrichter trennen sich bei dauerhaftem Spannungsverlust (Netzausfall) galvanisch vom Netz und sind nicht notstrombetriebsfähig, wodurch kein Risiko einer Weiterinspeisung bei spannungslosem Netz besteht.

Netzbildende Wechselrichter (Grid Forming Inverter, GFI):

Dies ist die Technologie der Zukunft, die das Verhalten von Synchrongeneratoren nachahmt.

Sie sind darauf programmiert, sich wie eine Spannungsquelle zu verhalten, indem sie eine Spannung mit definierter Amplitude und Phasenlage stellen. Sie weisen eine niedrige Ausgangsimpedanz auf.

Netzbildende Wechselrichter können Momentanreserve bereitstellen und damit zur Frequenz- und Spannungsstabilisierung beitragen. Dies erfolgt inhärent und nahezu instantan (< 5 ms) bei Änderungen des Spannungswinkels.

Sie sind in der Lage, das Netz zu "bilden" und ermöglichen es, Stromnetze nur mit erneuerbaren Energien und Speichern zu betreiben.

Ein entscheidender Vorteil ist ihre Schwarzstartfähigkeit, was bedeutet, dass ein Batteriespeicher mit netzbildendem Wechselrichter sich selbst starten und als erste Einheit nach einem Blackout das Netz wieder aufbauen kann.

Warum netzbildende Wechselrichter für die Netzstabilität entscheidend sind.

Der Ausbau erneuerbarer Energien, insbesondere Wind- und Solaranlagen, führt zu einem fortschreitenden Strukturwandel im Stromversorgungssystem. Da diese Anlagen über Leistungselektronik (Wechselrichter) ans Netz gekoppelt sind und die grossen Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke wegfallen, reduziert sich die im Netz vorhandene Momentanreserve (Systemträgheit). Dies kann zu schnelleren und potenziell unkontrollierbaren Frequenzabweichungen nach Netzstörungen führen.

Netzbildende Wechselrichter können diese kritische Lücke schliessen, indem sie:

• Synthetische Schwungmasse bereitstellen: Sie ahmen die mechanischen Schwingungsgleichungen von Synchrongeneratoren nach, was zu einer geringeren initialen Frequenzänderungsrate nach einer Netzauftrennung führt.
• Schneller auf Störungen reagieren: Im Laborvergleich zeigen netzbildende Wechselrichter eine deutlich schnellere Reaktion bei der Blindstromeinspeisung (ca. 2 ms vs. 8 ms bei netzfolgenden) und erreichen 90 % des Blindstrom-Endwerts dreimal schneller (ca. 7 ms vs. 22 ms). Auch die Wirkstromwiederkehr nach einer Fehlerklärung ist schneller (0,7 s vs. 1,7 s).
• Das Netz stützen, auch bei Fehlern: Sie können bei Netzfehlern wie Kurzschlüssen oder Spannungseinbrüchen am Netz bleiben und weiterhin zur Stabilisierung der Netzfrequenz beitragen, ohne sich selbst zu beschädigen. Dies ist ein radikaler Unterschied zu bisherigen Wechselrichtern, die sich zum Selbstschutz trennen würden.

Forschung und Entwicklung.

Führende Forschungsinstitute wie das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und die ETH Zürich arbeiten intensiv an der Entwicklung und Erprobung netzbildender Wechselrichter.

Fraunhofer ISE forscht im Projekt "VerbundnetzStabil" (seit 2017) an netzbildenden Wechselrichtern und hat eine Prüfrichtlinie erarbeitet, die wichtige technische Details für die Bewertung dieser Geräte liefert. Die Richtlinie umfasst Tests zu Spannungsquellenverhalten, Spannungsqualität, Momentanreserve, Überlast- und Fehlerverhalten, Wirk-/Blindleistungsregelung und Netzwechselwirkungen.

Ein Team der ETH Zürich um Professor Florian Dörfler hat einen neuen Regelalgorithmus patentiert, der es netzbildenden Wechselrichtern ermöglicht, die Frequenz auch bei Netzstörungen stabil zu halten und gleichzeitig die Geräte vor Schäden zu schützen. Die Kernidee ist, Netzspannung und Frequenz des Wechselstroms bei Fehlern unabhängig voneinander zu behandeln: Der Algorithmus konzentriert sich auf die Frequenzstabilität, begrenzt den Strom und lässt die Spannung frei schwanken. Da es sich um Softwareverbesserungen handelt, können diese Algorithmen direkt in Produkte der Industrie übernommen werden.

Das AIT Austrian Institute of Technology bietet umfassende Dienstleistungen für die Entwicklung, Prüfung und Validierung von netzgekoppelten Wechselrichtern, einschliesslich fortschrittlicher netzbildender Steuerstrategien.

Auch die Berner Fachhochschule (BFH) forscht an spannungsabhängigen Wirkleistungsregelungen (P(U)), die in PV-Wechselrichtern aktiviert werden können, um die Spannung bei Überlastung zu begrenzen und damit zur Netzstabilität beizutragen. Diese dezentrale Lösung ist kostengünstig und sicher und zeigt kaum Energieertragsverluste.

Anwendungen und Geschäftsmodelle.

Netzbildende Wechselrichter kommen aktuell vor allem bei Grossanlagen zum Einsatz, typischerweise ab 10 Megawatt Leistung. Der Fokus liegt dabei auf:

Batteriegrossspeichern (BESS): Diese sind besonders geeignet, da sie einen Energiespeicher benötigen, um zuverlässig jederzeit auf Leistungsspitzen reagieren und die Frequenz stabilisieren zu können. Auch PV-Hybridanlagen mit Speicher sind zukünftig relevant.

Stabilitätsdienstleistungen: In Ländern wie Grossbritannien, wo es bereits Ausschreibungen für Momentanreserve und Kurzschlussleistung gibt, sind Batteriespeicher mit netzbildenden Wechselrichtern eine kostengünstige und flexible Alternative zu Synchrongeneratoren. Deutschland wird voraussichtlich der erste kontinentaleuropäische Markt für Momentanreserve sein.

Lokale Netzstabilisierung in "schwachen Netzen": In Gebieten mit hoher Auslastung oder unzureichenden Übertragungskapazitäten können netzbildende Batteriespeicher die lokale Stabilität verbessern und die Spannung stabil halten, was den Bau weiterer erneuerbarer Anlagen ermöglicht.

Netzwiederaufbau: 

Die Schwarzstartfähigkeit von netzbildenden Batterien ist eine Systemdienstleistung, die vergütet wird.

Netzbildende Wechselrichter sind der Schlüssel für ein Energiesystem, das vollständig auf erneuerbaren Energien basiert. Sie können die stabilisierenden Funktionen konventioneller Grosskraftwerke vollständig ersetzen, bieten hohe Effizienz und Flexibilität, und ermöglichen neue, attraktive Geschäftsmodelle für Projektentwickler. Trotz Herausforderungen bei der Standardisierung sind sie ein entscheidender Baustein, um die Versorgungssicherheit in einer immer grüner werdenden Energiewelt zu gewährleisten.

Weshalb sind chinesische Wechselrichter eine Gefahr für unsere Stromnetze?

Chinesische Wechselrichter können aus mehreren Gründen eine potenzielle Gefahr für europäische Stromnetze darstellen, wie eine Studie von DNV im Auftrag des europäischen Solarbranchenverbands Solarpower Europe gezeigt hat:

Generelles Sicherheitsrisiko von Wechselrichtern: Wechselrichter sind generell als Sicherheitsrisiko für Stromnetze einzustufen.

Geringe manipulierte Kapazität zur Netzstörung ausreichend: Die Studie ergab, dass bereits eine manipulierte Wechselrichterkapazität von nur 3 Gigawatt (GW) ausreicht, um das europäische Netz zu stören. Dies wird als eine geringe Menge angesehen, insbesondere wenn ein Szenario betrachtet wird, in dem ganze Staaten und nicht nur Cyberkriminelle diese "Achillesferse" des Stromsystems ausnutzen.

Dominanz chinesischer Hersteller: Chinesische Hersteller dominieren den Weltmarkt für Wechselrichter.

Der Marktführer Huawei verfügt über mindestens 114 GW installierter Wechselrichterkapazität in Europa.

Es wird geschätzt, dass sechs chinesische Wechselrichterhersteller jeweils über 5 GW Kapazität in ganz Europa kontrollieren, womit die kritische Schwelle von 3 GW leicht erreicht werden kann.

• Chinesisches Geheimdienstgesetz: Gemäss dem chinesischen Geheimdienstgesetz können Unternehmen zur Zusammenarbeit mit staatlichen Geheimdiensten verpflichtet werden. Dies wirft die Frage auf, ob ähnliche Schutzmassnahmen für kritische Energieinfrastrukturen wie Wechselrichter erforderlich sind, wie sie beispielsweise für 5G-Mobilfunknetze bereits getroffen wurden.
• Vulnerabilität des Netzes: Ein kürzlich aufgetretener grosser Stromausfall in Spanien und Portugal hat die Anfälligkeit des europäischen Stromnetzes verdeutlicht. Auch wenn bei diesem Vorfall ein Cyberangriff von offizieller Seite ausgeschlossen wurde, bleibt die Möglichkeit bestehen, dass die Energiewende durch solche Risiken zur Sicherheitsfrage beiträgt.
• Empfehlungen zur Risikominimierung: Um das Cybersicherheitsrisiko auf eine "niedrige" Kategorie zurückzuführen, empfiehlt der Bericht von Solarpower Europe zwei übergreifende Lösungen:
• Spezifische Cybersicherheitsgesetze: Bestehende Gesetze zur Cybersicherheit sollten spezifisch genug für die Bedürfnisse des Solarsektors sein. 
• Kontrolle innerhalb der EU: Neue Regeln sollten die Kontrolle relevanter Solarsysteme über Wechselrichter in der EU oder in Ländern mit einem gleichwertigen Sicherheitsniveau belassen.

Netzbildende Wechselrichter und Bedeutung für die Netzstabilität.

Die traditionelle Netzstabilität wird durch die physikalischen Eigenschaften von Synchrongeneratoren in konventionellen Kraftwerken gewährleistet, die Trägheit (Momentanreserve), Spannungs- und Frequenzstabilität sowie Schwarzstartfähigkeit bereitstellen. Mit dem Rückgang dieser Kraftwerke muss diese Rolle von anderen Technologien übernommen werden. Hier kommen netzbildende Wechselrichter ins Spiel:

• Momentanreserve und Frequenzhaltung: Netzbildende Wechselrichter können synthetische Schwungmasse bereitstellen, die äquivalent zur Momentanreserve von Synchrongeneratoren ist. Dies ist entscheidend, um den anfänglichen Frequenzgradienten nach einer Netzauftrennung zu reduzieren und dynamische Frequenzabweichungen zu minimieren. Sie reagieren sofort auf Frequenzänderungen und können so die Netzfrequenz stabilisieren.
• Spannungsstabilität: Netzbildende Wechselrichter tragen zur Spannungsstabilität bei, indem sie in der Lage sind, Blindströme zur Spannungsstützung einzuspeisen. Im Gegensatz zu netzstützenden Wechselrichtern, die eine gewisse Verzögerung bei der Aktivierung der dynamischen Netzstützung aufweisen können (oft 10-20 ms), reagieren netzbildende Wechselrichter aufgrund ihres inhärenten Spannungsquellenverhaltens fast instantan (ca. 2 ms) auf Netzänderungen.
• Netzwiederaufbau (Schwarzstartfähigkeit): Netzbildende Wechselrichter können es Energiespeichern ermöglichen, sich selbst zu starten und somit als Starteinheit für den Netzwiederaufbau nach einem Blackout zu dienen. Dies wird als Schwarzstartfähigkeit bezeichnet und ist für die rasche Wiederherstellung der Stromversorgung unerlässlich.

Unterschiede zu netzfolgenden Wechselrichtern im Detail.

Die Hauptunterschiede liegen in der Regelungsstruktur und dem Verhalten bei Netzstörungen.

• Regelungsverhalten: Netzbildende Wechselrichter basieren auf der Dynamik des Spannungswinkels und der Spannungsamplitude, wodurch sie ihre Ausgangsleistung bei Lastschwankungen unverzüglich anpassen. Sie nutzen oft Algorithmen, die mechanische Schwingungsgleichungen von Synchronmaschinen nachbilden, wie die "virtuelle Synchronmaschine" (VSM). Netzfolgende Wechselrichter hingegen sind darauf ausgelegt, effizient Leistung einzuspeisen und benötigen zusätzliche Erweiterungen, um frequenzstützend zu wirken.
• Reaktion auf Fehler: Bei Netzfehlern wie Kurzschlüssen würden netzfolgende Wechselrichter, um ihr Leistungsniveau zu halten, versuchen, mehr Strom einzuspeisen, was ihre Elektronik zerstören würde. Daher schalten sie sich zum Selbstschutz vom Netz ab. Netzbildende Wechselrichter können mit neuen Algorithmen (z.B. von der ETH Zürich entwickelt) auch bei Netzfehlern am Netz bleiben, den Strom begrenzen und gleichzeitig die Frequenz stabil halten, ohne Schaden zu nehmen.
• Blindstrombereitstellung: Netzbildende Wechselrichter erreichen 90 % ihres stationären Blindstrom-Endwertes deutlich schneller (ca. 7 ms) als netzstützende Wechselrichter (ca. 22 ms).
• Wirkstromwiederkehr: Nach Fehlerklärung kehren netzbildende Wechselrichter schneller zum Vorfehler-Wirkstromwert zurück (ca. 0,7 s für 90 % des Endwertes) als netzstützende (ca. 1,7 s).
• Technische Eigenschaften und Anforderungen: Netzbildende Wechselrichter benötigen spezifische technische Eigenschaften, darunter eine hohe Überlastfähigkeit, um bei Momentanreserve zusätzliche Leistung abgeben zu können. Ihre Kernfunktionalität liegt jedoch in der neuen Regelungs-Software. Es gibt noch keinen allgemeingültigen, umsetzungsneutralen Standard für die Definition und Nachweisverfahren der netzbildenden Eigenschaften. Forschungsprojekte wie "VerbundnetzStabil" (Deutschland) und "VSM project" (Grossbritannien) arbeiten an Testrichtlinien.

Aktuelle Entwicklungen und Anwendung.

Der Einsatz netzbildender Wechselrichter ist derzeit vor allem auf Grossanlagen im Leistungsbereich von Megawatt bis Gigawatt konzentriert, insbesondere grosse Batteriespeicher in der Hoch- und Höchstspannung. Dies liegt daran, dass ein Energiespeicher benötigt wird, um die Frequenz zuverlässig zu stabilisieren, da die Solarenergie nur bei Sonnenschein zur Verfügung steht. Australien und Grossbritannien sind Vorreiter bei Ausschreibungen für Momentanreserve, an denen Batterieprojekte teilnehmen können. In Deutschland wird ein entsprechendes Marktdesign voraussichtlich dieses Jahr verabschiedet. Netzbildende Technologie ist ein wichtiger Teil der Energiewende und ermöglicht ein Energiesystem, das auch ohne konventionelle Kraftwerke stabil ist. Sie bieten Projektentwicklern neue Geschäftspotenziale durch Stabilitätsdienstleistungen und können den Umgang mit verzögertem Netzausbau verbessern, indem sie Netze lokal stärken.

Wie hat die ETH Zürich netzbildende Wechselrichter entwickelt?

Die ETH Zürich hat einen neuen Regelalgorithmus für netzbildende Wechselrichter entwickelt, um die Stabilität des Stromnetzes in Zeiten der Energiewende zu gewährleisten.

Hier ist eine Struktur nach Problem und Lösung:

Problem.

1. Verlust der Netzstabilität durch Abschaltung konventioneller Kraftwerke: Traditionell sorgten Synchrongeneratoren in Grosskraftwerken (wie Wasser-, Kohle- und Atomkraftwerken) mit ihrer einfachen und trägen Mechanik für einen stabilen Wechselstromtakt und Momentanreserve im Netz. Mit dem Rückgang dieser Kraftwerke im Zuge der Energiewende gehen diese wichtigen Taktgeber und ihre Trägheit verloren.

2. Verhalten herkömmlicher Wechselrichter bei Netzstörungen: Herkömmliche (netzfolgende) Wechselrichter sind darauf ausgelegt, ihre erzeugte Gleichspannung in Wechselstrom umzuwandeln und synchron zum vorgegebenen Netztakt einzuspeisen. Sie orientieren sich lediglich am bestehenden Takt und können diesen nicht aktiv stabilisieren. Bei Netzfehlern wie Kurzschlüssen oder Spannungseinbrüchen würden netzfolgende Wechselrichter versuchen, ihr Leistungsniveau zu halten, indem sie mehr Strom einspeisen, was ihre Elektronik zerstören würde. Daher schalten sie sich zum Selbstschutz vom Netz ab. Dieser "radikale Schutzmechanismus" führt dazu, dass die Anlagen bei Störungen keine weitere Stromversorgung leisten und somit die Netzstabilität nicht unterstützen können.

3. Herausforderungen bei der Umsetzung netzbildender Eigenschaften: Die Entwicklung funktionierender Lösungen für netzbildende Wechselrichter, die bei Kurzschlüssen oder Spannungseinbrüchen weiterarbeiten und gleichzeitig vor Überlastung geschützt sind, war bisher eine grosse Herausforderung für Ingenieure.

Lösung.

Ein Forschungsteam um Professor Florian Dörfler an der ETH Zürich hat neue Algorithmen entwickelt, die es netzbildenden Wechselrichtern ermöglichen, die Rolle der konventionellen Grosskraftwerke zu übernehmen und das Netz aktiv zu stabilisieren.

1. Neuer Regelalgorithmus als Spannungsquelle: Der entwickelte Algorithmus ermöglicht es, netzbildende Wechselrichter als Spannungsquelle zu betreiben. Dies ist entscheidend, da sie dadurch eine definierte Spannung mit Amplitude und Phasenlage bereitstellen können, anstatt nur einem vorhandenen Netztakt zu folgen.

2. Stabile Frequenzhaltung und Strom-Begrenzung bei Fehlern: Die Kernidee des neuen Algorithmus ist, die Netzspannung und die Frequenz des Wechselstroms bei Netzfehlern unabhängig voneinander zu behandeln.

• Der Algorithmus konzentriert sich darauf, die Frequenz unter allen Umständen stabil zu halten.
• Gleichzeitig begrenzt der Algorithmus den Strom, um eine Überlastung und Beschädigung des Wechselrichters zu verhindern, während die Spannung frei schwanken kann.
• Dadurch können Wind- und Solarkraftwerke auch bei Netzfehlern am Netz bleiben, weiterhin Strom liefern und zur Stabilisierung der Netzfrequenz beitragen, ohne sich zum Selbstschutz abschalten zu müssen.

3. Praktische Umsetzung und Anwendung:

• Der Algorithmus wurde zunächst in Computersimulationen überprüft und anschliessend in einer kleinen Testanlage im Labor erfolgreich getestet.
• Da es sich um reine Software-Verbesserungen handelt, können Industrieunternehmen die Algorithmen direkt in ihre Steuerungssoftware integrieren, ohne neue Demonstrationsanlagen bauen zu müssen.
• Die ETH Zürich plant, eng mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten und Masterstudenten dabei zu unterstützen, diesen neuen Ansatz in Industrieprodukte zu implementieren.

4. Beitrag zur Energiewende: Diese neuen Algorithmen tragen zur Stabilität des Stromnetzes bei, verringern das Risiko von Blackouts und ebnen den Weg von zentralen Grosskraftwerken hin zu einem dezentralen, flexiblen System kleinerer Kraftwerke, die erneuerbare Energie liefern. Sie sind ein entscheidender Baustein für die Energiewende und die Versorgungssicherheit.

Wie kann die Technologie der netzbildenden Wechselrichtern der ETH Zürich implementiert werden?

Die Technologie der netzbildenden Wechselrichter der ETH Zürich kann hauptsächlich durch Software-Integration und Industriekooperationen implementiert werden.

1. Software-basierte Natur des Algorithmus: Die von Professor Florian Dörflers Team an der ETH Zürich entwickelte Lösung besteht aus neuen Regelalgorithmen, die patentiert wurden. Da es sich um reine Software-Verbesserungen handelt, müssen Industrieunternehmen keine neuen Demonstrationsanlagen bauen. Stattdessen können sie die Algorithmen direkt in ihre bestehende Steuerungssoftware integrieren.

2. Funktionsweise des neuen Regelalgorithmus: Der Algorithmus ermöglicht es, netzbildende Wechselrichter als Spannungsquelle zu betreiben. Die Kernidee des Algorithmus ist es, bei Netzfehlern die Netzspannung und die Frequenz des Wechselstroms unabhängig voneinander zu behandeln. Der Algorithmus konzentriert sich darauf, die Frequenz unter allen Umständen stabil zu halten, während er gleichzeitig den Strom begrenzt, um eine Überlastung des Wechselrichters zu verhindern, und die Spannung frei schwanken lässt. Dies erlaubt es Wind- und Solarkraftwerken, auch bei Netzfehlern am Netz zu bleiben, weiterhin Strom zu liefern und zur Stabilisierung der Netzfrequenz beizutragen, anstatt sich zum Selbstschutz abzuschalten.

3. Praktische Überprüfung und Zusammenarbeit: Die Forschenden der ETH Zürich haben das Prinzip des Algorithmus zunächst in Computersimulationen überprüft und anschliessend in einer kleinen Testanlage im Labor erfolgreich getestet. Im nächsten Schritt plant Professor Dörfler eine enge Zusammenarbeit mit interessierten Industriepartnern. ETH-Masterstudenten sollen ihre Masterarbeiten in Industrieunternehmen durchführen und dabei helfen, den neuen Ansatz in die Produkte der Industriepartner zu implementieren.

4. Beitrag zur Energiewende: Diese Implementierung der netzbildenden Technologie ist ein entscheidender Baustein, um das Stromnetz stabil zu halten, das Risiko von Blackouts zu verringern und den Weg von zentralen Grosskraftwerken hin zu einem dezentralen, flexiblen Energiesystem mit erneuerbaren Energien zu ebnen.

Disclaimer / Abgrenzung

Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.

Bilder © Copyright Bruno Giordano.

Quellen 08/2025

Netzbildende Kraftwerke und Stromquellen.

https://www.intersolar.de/neuigkeiten/interview-duckwitz-prabhakaran-netzbildende-technologie-wichtiger-teil-energiewende

https://www.strom.ch/de/wissen/technologien

https://www.amprion.net/Netzjournal/Beitr%C3%A4ge-2024/Netzbildende-Regelung.html

https://www.strom.ch/de/wissen/stromnetze

https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2025/04/wer-haelt-den-stromtakt-wenn-grosskraftwerke-vom-netz-gehen.html

https://www.strom.ch/de/wissen/technologien

https://www.next-kraftwerke.de/wissen/virtuelles-kraftwerk

https://www.next-kraftwerke.de/wissen/schwarzstart

Netzfolgende Wechselrichter.

https://www.strom.ch/de/nachrichten/genuegen-wechselrichter-oder-braucht-es-einen-zusaetzlichen-externen-netz-und-anlagenschutz

https://www.amprion.net/Netzjournal/Beitr%C3%A4ge-2024/Netzbildende-Regelung.html

https://de.wikipedia.org/wiki/Wechselrichter

https://www.bfh.ch/de/aktuell/news/2023/pv-wechselrichter-koennen-das-stromnetz-stabilisieren/

Netzbildende Wechselrichter.

https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2021/dezember-2021/stabile-stromversorgung-durch-netzbildende-wechselrichter.html

https://www.bulletin.ch/de/news-detail/pv-wechselrichter-stabilisieren-das-netz.html

https://www.netpowersafe.ch/alles-was-sie-ueber-wechselrichter-wissen-muessen

https://www.ait.ac.at/loesungen/technologien-fuer-elektrische-netze/netzgekoppelte-wechselrichter