Multi-Megawatt Lab_Fraunhofer ISE_Freiburg

Das Multi-Megawatt Lab am Fraunhofer ISE in Freiburg ermöglicht die hochgenaue Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Wechselrichtern bis zu einer Leistung von 10 MW. (Bild: Fraunhofer ISE)

Großkraftwerke stabilisieren das Stromnetz mithilfe von Synchrongeneratoren, die etwaige Erzeugungsdefizite kurzfristig ausgleichen und so die Zeit bis zur Aktivierung von Schutzmaßnahmen überbrücken. Nun werden aber derzeit und in den kommenden Jahren verstärkt große Kern- und Kohlekraftwerke vom Netz genommen und durch erneuerbare Formen der Energiegewinnung ersetzt. Damit verschwinden auch die Synchrongeneratoren als Basis für die Netzregelung. Ein Team am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE erforscht deshalb netzbildende Wechselrichter als Alternative zum Erhalt der Netzstabilität. Wechselrichter sollen in der Regel eine gewünschte Leistung in ein starr angenommenes Stromnetz einspeisen. Netzbildende Wechselrichter hingegen sind darauf programmiert, sich wie eine Spannungsquelle zu verhalten. Ähnlich wie konventionelle Kraftwerke reagieren netzbildende Wechselrichter damit kurzfristig auf den Bedarf des Netzes und stellen Momentanreserven bereit.

Übertragungsnetzbetreiber sind sich einig, dass netzbildende Wechselrichter für einen großen Anteil der neuen Anlagen notwendig sind. So berät das Fraunhofer ISE diverse Stromnetzbetreiber und arbeitet seit 2017 mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft im Projekt VerbundnetzStabil zusammen. Das Projekt bündelt Kompetenzen aus den Bereichen Leistungselektronik und Regelungstechnik sowie Netzdynamik und Verbundnetzregelung, um den Einsatz von und die genauen Anforderungen an netzbildende Wechselrichter im größeren Maßstab ganzheitlich zu betrachten.

Stromnetz im Labormaßstab
Für den messtechnischen Nachweis der netzbildenden Eigenschaften von Wechselrichtern entstand das Stromnetz im Labormaßstab. (Bild: Fraunhofer ISE)

Vom Labor ins reale Stromnetz

Im ersten Projektschritt wurden die Anforderungen an zukünftige Stromnetze geklärt und kritische Situationen definiert. Dies bildete die Grundlage für eine konkrete Geräteentwicklung und -programmierung zusammen mit dem Wechselrichterhersteller Kaco new energy. Im Multi-Megawatt Lab bauten die Forschenden dann ein Stromnetz im Kleinen nach und untersuchten dort, wie sich der Anteil von Synchronmaschinen und netzbildenden Wechselrichtern sowie die implementierten Regelungen in verschiedenen Störszenarien auf die Spannungsstabilität auswirken.

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine Umstellung von Synchrongeneratoren auf netzbildende Wechselrichter funktioniert und auch immer dringender wird. Gleichzeitig wurde klar, was das Netz der Zukunft wirklich braucht. Außerdem haben die Forscher eine Prüfrichtlinie erarbeitet, die Vorschläge für wichtige technische Details liefert, bei denen es bisher noch keinen klaren Standard gibt. Das soll der Branche für die anstehende Markteinführung netzbildender Wechselrichter eine Hilfestellung bei der technischen Bewertung geeigneter Geräte geben. Demnächst wollen die Forschenden ihre Geräte und Erkenntnisse am realen Stromnetz in einem der Institutsbürotrakte überprüfen. Ein weiteres Forschungsprojekt soll künftig die erarbeitete Technologie in einem großen Photovoltaik-Speicher-Kraftwerk implementieren und Netzwechselwirkungen unter realen Bedingungen untersuchen.

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