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Stabile Stromversorgung in Zukunft durch netzbildende Wechselrichter

© Fraunhofer ISE© Fraunhofer ISE

Freiburg - Großkraftwerke sorgen derzeit mit ihren Synchrongeneratoren für Stabilität im Stromnetz, werden aber im Zuge der Energiewende sukzessive abgeschaltet. In Zukunft sollen netzbildende Wechselrichter diese Funktion übernehmen.

Auch nach der Stilllegung großer, fossiler Kraftwerke muss eine zuverlässige Versorgung mit sinusförmigem Wechselstrom und stabiler Netzfrequenz gewährleistet werden. Forschende am Fraunhofer ISE entwickeln eine alternative Lösung, wie das bisher von Großkraftwerken dominierte Stromnetz mit den bereitgestellten Netz-Stabilitätsfunktionen in der Zukunft sukkzessive und sicher abgelöst werden kann.

Netzregelung durch Großkraftwerke muss in Zukunft ersetzt werden
Strom in Europa hat idealerweise eine sinusförmige Wechselspannung mit einer annähernd gleichbleibenden Frequenz von 50 Hertz. Ermöglicht wird diese Stabilität durch die physikalischen Eigenschaften von Synchrongeneratoren großer Kraftwerke. Diese bringen über ihre rotierende Masse Trägheit und damit die sogenannte Momentanreserve ins System. Etwaige Erzeugungsdefizite können sie über die gespeicherte kinetische Energie kurzfristig ausgleichen und so die Zeit überbrücken, bis weitere Schutzmaßnahmen wie die Bereitstellung von Regelreserven aktiviert werden. So kommt es auch in kritischen Situationen, wie beispielsweise dem ungeplanten Ausfall großer Erzeugungsleistungen oder dem Zerfall des Netzes in Netzteile, einem sogenannten System Split, nicht sofort zu flächendeckenden Stromausfällen.

In den kommenden Jahren gehen allerdings verstärkt große Kern- und Kohlekraftwerke vom Netz und werden durch erneuerbare Formen der Energiegewinnung ersetzt. »So gehen die Synchrongeneratoren verloren, die eine ganz essenzielle Basis für die Netzregelung darstellen«, erklärt Dr. Sönke Rogalla, Leiter der Abteilung Leistungselektronik und Netzintegration am Fraunhofer ISE. Er und sein Forschungsteam sehen in netzbildenden Wechselrichtern eine erfolgversprechende Alternative, um die Netzstabilität zu sicher zu stellen.

Netzbildende Wechselrichter verhalten sich wie Großkraftwerke
Wechselrichter sind leistungselektronische Geräte, deren primäre Aufgabe die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ist. Die Spannweite beim Einsatz reicht von kleinen Batteriespeichern bis hin zu großen Megawatt-Anlagen. Ihr elektrisches Verhalten ist aber nicht physikalisch definiert, sondern muss über bestimmte Regel-Algorithmen erst entsprechend festgelegt werden.

Bisher sind Wechselrichter regelmäßig so programmiert, dass sie eine gewünschte Leistung in ein - starr angenommenes - Stromnetz einspeisen, das von starken Großkraftwerken bereitgestellt wird. Netzbildende Wechselrichter hingegen sind so programmiert, dass sie sich wie eine Spannungsquelle verhalten. Vergleichbar mit dem Verhalten von konventionellen Kraftwerken reagieren netzbildende Wechselrichter damit kurzfristig auf den Bedarf des Netzes und stellen Momentanreserven bereit, teilte das Fraunhofer ISE in Freiberg mit.

Fraunhofer ISE: Forschung an Geräten und Programmierung
Am Fraunhofer ISE in Freiberg wird an der Entwicklung von Geräten und Algorithmen geforscht. „Wichtig ist beispielsweise, dass die Geräte in Spezialfällen wie Überlastsituationen, defekten Leitungen oder System Splits reflexartig richtig reagieren und das Netz stabil halten“, sagt Roland Singer, Gruppenleiter Stromrichterbasierte Netze.

Mit den bisherigen Ergebnissen aus dem Projekt „VerbundnetzStabil“ zeigen sich die Forschenden des Fraunhofer ISE sehr zufrieden. „Unsere Untersuchungen zeigen noch einmal deutlich, dass eine Umstellung von Synchrongeneratoren auf netzbildende Wechselrichter funktioniert und auch immer dringender wird“, betont Singer. „Gleichzeitig konnten wir klar definieren, was das Netz der Zukunft wirklich braucht, und mithilfe einer Prüfrichtlinie, die wir erarbeitet haben, Vorschläge für wichtige technische Details liefern, bei denen es bisher noch keinen klaren Standard gibt“, ergänzt Dr. Sönke Rogalla, Leiter der Abteilung Leistungselektronik und Netzintegration.

© IWR, 2021


02.12.2021

 



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