Beherrschung der Rasterbildung im Vergleich zur Rasterverfolgung in Echtzeit Tests

Wichtigste Erkenntnisse

• Die netzbildende Regelung eröffnet nun die richtige technische Diskussion über schwache Netze, einen hohen Wechselrichteranteil und die Störungsbehebung.
• Die netzgeführte Regelung eignet sich nach wie vor für leistungsstarke Systeme, dient jedoch am besten als Vergleichsgrundlage und nicht als Standardannahme.
• Echtzeit- Tests s im geschlossenen Regelkreis ist wichtig, da Timing, Schutzmaßnahmen und die Interaktion mit der Anlage darüber entscheiden, ob das Regelverhalten auch außerhalb von Offline-Modellen Bestand hat.

Die netzbildende Regelung sollte Ihr standardmäßiger Ausgangspunkt für die netz Tests, die auf Wechselrichtern basiert, sein.

Die Energieversorger fragen nun, ob ein Wechselrichter Spannung und Frequenz stabil halten kann, wenn das Netz nicht mehr als starre Quelle fungiert. Solar-PV lieferte im Jahr 2023 5,4 % der weltweiten Stromerzeugung. Diese Veränderung bedeutet, dass eine einfache Definition nicht mehr ausreicht. Man benötigt den Nachweis, dass der Regler während des Betriebs bei schwachem Netz, bei Störungen und während der Wiederherstellung stabil bleibt.

Die netzfolgende Regelung eignet sich nach wie vor für starke Netze, dient nun jedoch als Maßstab, an dem Sie Ihre Ergebnisse messen. Die netzbildende Regelung kommt zum Tragen, wenn Schwarzstart, Inselbetrieb, Fehlerbehebung und Betrieb in schwachen Netzen alle in derselben Untersuchungsliste stehen. Sie benötigen einen Vergleich, der direkt zur Testkonzeption führt, denn Aussagen zur Regelung haben wenig Aussagekraft, solange Zeitabläufe, Schutzmaßnahmen und Wechselwirkungen zwischen den Anlagen nicht auf dem Prüfstand aufgezeigt werden. An dieser Stelle weicht die Definition der Validierung.

Ein netzbildender Wechselrichter legt die elektrische Referenz fest

Ein netzbildender Wechselrichter legt seine eigene Spannungsamplitude, seinen Phasenwinkel und seine Frequenzreferenz fest und regelt anschließend die Leistung um diese Referenz herum. Man setzt ihn ein, wenn sich der Wechselrichter für das lokale Netz wie eine Spannungsquelle verhalten muss. Diese Regelungsstrategie ermöglicht es der Anlage, den Sammelschienenspannungspegel stabil zu halten, während andere Geräte reagieren.

Ein Campus microgrid nach einem „Feeder Trip“ verdeutlicht dies anschaulich. Ein Batterie-Wechselrichter kann die lokale Wellenform festlegen, die Lasten des Gebäudes übernehmen und die Frequenz halten, während sich kleinere Solar-Wechselrichter wieder anschließen. Eine Black-Start-Sequenz nutzt dasselbe Verhalten. Die Anlage benötigt eine Quelle, die eine stabile Referenz schafft, bevor nachgeschaltete Geräte ihren Beitrag leisten können.

Diese Rolle verändert die Art und Weise, wie Sie den Regler testen. Sie prüfen nicht mehr nur, ob der Strom einem Befehl folgt. Sie prüfen, ob sich die Spannung sauber erholt, ob sich die Frequenz nach einem Lastschritt einpendelt und ob die Leistungsaufteilung ordnungsgemäß verläuft, wenn eine weitere Quelle in den Bus eingespeist wird. 

„Die netzbildende Regelung entfaltet ihren Wert erst dann, wenn der Sollwert selbst Teil der Störung wird.“

Ein netzfolgender Wechselrichter ist auf eine externe Referenz angewiesen

Ein netzfolgender Wechselrichter misst den aktuellen Netzverlauf und synchronisiert sich mit diesem, bevor er Strom einspeist. Er kommt in leistungsstarken Systemen zum Einsatz, in denen eine andere Quelle bereits für eine stabile Spannung und Frequenz sorgt. Dadurch eignet er sich gut für die Stromumwandlung, ist jedoch von einer Referenz abhängig, die er nicht selbst erzeugt.

Ein gängiges Beispiel ist ein Großsolarkraftwerk, das an einen stabilen Übertragungsknotenpunkt angeschlossen ist. Der Wechselrichter passt sich an die Netzspannung an, folgt den Einspeisebefehlen und regelt den Wirk- und Blindstrom innerhalb der vorgegebenen Grenzen. Das funktioniert gut, solange das vorgelagerte Netz stabil bleibt. Der Regler muss den Knotenpunkt nicht selbst festlegen, da diese Aufgabe bereits vom Netz übernommen wird.

Grenzen treten auf, wenn die Referenzqualität nachlässt. Eine Schwachstelle in der Verbindung, ein großer Phasensprung oder ein nahegelegener Fehler können dazu führen, dass der Regelkreis einer Wellenform nachläuft, die sich zu stark verändert oder ganz verschwindet. Aus diesem Grund gilt die netzfolgende Regelung mittlerweile in vielen Studien von Energieversorgern als veralteter Maßstab. Sie hat nach wie vor ihren Platz im Netz, wird jedoch nicht jede Stabilitätsfrage beantworten, deren Lösung von Ihnen verlangt wird.

Der Unterschied zwischen Netzbildung und Netzanpassung hängt in erster Linie von der Netzstärke ab

Der Hauptunterschied zwischen netzbildender und netzfolgender Regelung liegt in der Quelle der Spannungsreferenz. Bei der netzbildenden Regelung wird diese Referenz unter schwachen oder Inselbetriebsbedingungen hergestellt und stabilisiert. Bei der netzfolgenden Regelung wird auf eine verwertbare Wellenform gewartet und anschließend Strom in diese eingespeist. Diese Unterscheidung bildet die Grundlage für die erste Frage, die Sie sich stellen sollten.

Ein starrer Verteilerstromkreis bietet einem Nachführer ausreichende Unterstützung, sodass die Synchronisationsreserve und die Strombegrenzung im Vordergrund stehen. Eine Fernzuleitung mit hoher Impedanz verändert die Situation. Die Spannung kann bei jeder Leistungsänderung stärker schwanken, sodass die Anlage eine Quelle benötigt, die den Verteilerstromkreis stabilisiert, anstatt lediglich auf ihn zu reagieren. Wenn Sie sich nicht sicher sind, wo Sie anfangen sollen, sollten Sie zunächst die Systemstabilität prüfen, bevor Sie sich mit der Art der Regelung befassen.

Diese Unterscheidung wirkt sich auch auf die Anlagenarchitektur aus. Bei einer kombinierten Anlage mit Solaranlage und Speicher wird häufig eine Einheit für die Netzanbindung vorgesehen, während die übrigen dieser Einheit folgen. Die Auswahl der Steuerung wird somit zu einer Systemfrage und nicht zu einer Gerätefrage. Der entsprechende Vergleich ist unten dargestellt.

Ein hoher Wechselrichteranteil führt dazu, dass die Netzbildung zur Standardvoreinstellung wird

Ein hoher Wechselrichteranteil verlagert den Schwerpunkt bei nachlassender Wellenform von der Synchronisation hin zur Systemunterstützung. Aus diesem Grund steht die Netzformungsregelung nun im Mittelpunkt vieler neuer Studien. Die Netzfolge-Regelung spielt in starren Systemen zwar nach wie vor eine Rolle, bildet jedoch nicht mehr den Rahmen für die gesamte technische Problemstellung.

Die Energieversorger brauchen kein weit in der Zukunft liegendes Szenario, um diesen Wandel zu rechtfertigen. In den Netzanschlusswartelisten der Vereinigten Staaten standen mehr als 2.600 GW an Solarenergie, Speicher und Windkraft. Ein neues Solar-plus-Speicher-Projekt, das in einen schwachen Bereich des Netzes eingespeist wird, wird von Anfang an hinsichtlich Spannungsunterstützung, Störungsbehebung und Anlageninteraktion bewertet. Das ist eine Diskussion über die Netzgestaltung, noch bevor die Ausrüstung überhaupt bestellt wurde.

Dadurch wird die Steuerung zur Netzanpassung nicht aus dem Instrumentarium entfernt, sondern erhält eine klarere Rolle. Wenn Ihr System über eine starke Kurzschlussunterstützung verfügt und eine andere Quelle für die Wellenform verantwortlich ist, ist ein Netzfolger nach wie vor eine sinnvolle Lösung. Wenn das System auf Wechselrichter-basierte Ressourcen angewiesen ist, um seinen Betrieb aufrechtzuerhalten, sparen Sie Zeit und stellen sicher, dass die Untersuchung dem tatsächlichen Risiko entspricht, wenn Sie von Annahmen zur Netzbildung ausgehen.

Die Störungsüberbrückung zeigt die Regelstabilität unter Belastung

Das „Fault Ride-Through“- Tests -Verfahren zeigt, ob ein Regler stabil bleibt, wenn die Spannung zusammenbricht, Strombegrenzungen greifen und die Schutzlogik zu wirken beginnt. Ein netzbildender Wechselrichter muss während dieser Störung eine brauchbare Referenz beibehalten und anschließend ohne Schwingungen, Latch-up oder Regeljagd wieder in den Normalzustand zurückkehren.

Ein dreiphasiger Spannungseinbruch in der Nähe des Netzanschlusspunkts stellt einen extremen Belastungsfall dar. Der Regler stößt an seine Strombegrenzungen, die Blindleistungsunterstützung steigt sprunghaft an, und die interne Spannungsreferenz wird stark beansprucht. Die Erholung nach der Fehlerbehebung ist ebenso wichtig wie der Fehler selbst. Ein Regler, der den Spannungseinbruch zwar übersteht, aber nach der Fehlerbehebung noch mehrere Sekunden lang schwingt, verursacht weiterhin ein Problem auf Anlagenebene.

Ein gutes „ Tests “ unterscheidet zwischen Verhaltensweisen, die in einem Trenddiagramm ähnlich aussehen. Eine Anlage erholt sich mit geringer Dämpfung und einer sauberen Leistungswiederherstellung. Eine andere zeigt Phasenwackeln, eine schlechte Lastverteilung mit parallel geschalteten Einheiten oder wiederholte Rückstellungen der Schutzvorrichtungen. Das sind keine kosmetischen Mängel. Sie geben Aufschluss darüber, wie sich die Anlage verhalten wird, wenn das Netz bereits in Schwierigkeiten ist und jeder Regelkreis nur noch über geringe Spielräume verfügt.

Echtzeit- Tests s im geschlossenen Regelkreis erkennen Regelgrenzen frühzeitig

Die Echtzeit- Tests im geschlossenen Regelkreis deckt Wechselwirkungen auf, die bei Offline-Untersuchungen übersehen werden, da der Reglercode, das Timing der „ I/O “ und die Dynamik des Regelobjekts alle auf einem Live-Modell des Stromnetzes ablaufen. Diese Konfiguration ist erforderlich, wenn bereits geringe Verzögerungen dazu führen können, dass ein stabiles Design zu schlechter Dämpfung, Fehlauslösungen oder fehlgeschlagener Resynchronisation führt.

Ein praktischer Versuchsaufbau verbindet den eigentlichen Regler hardware mit einem digitalen Modell des Einspeisers, der Quellenimpedanz, der Leistungsschalter und der Messkette. OPAL-RT spielt hier eine wichtige Rolle, da Ingenieur:innen es nutzen, um diese Regelkreisfälle bei Testgeschwindigkeit durchzuführen, anstatt das Verhalten aus separaten Studien abzuleiten. Ein Schwachnetzereignis kann dann mit demselben Fehlerzeitpunkt, denselben Anlagenregelungen und demselben I/O -Pfad wiederholt werden.

„Die Wiederholbarkeit ist wichtig, wenn man einen Regler abstimmt, der sich nahe an einer Stabilitätsgrenze befindet.“

Der Vorteil liegt nicht in einer schöneren Wellenform. Vielmehr lassen sich Wechselwirkungen im Regelkreis aufdecken, bevor diese bei der Inbetriebnahme vor Ort zu Terminproblemen führen. Ein Spannungsregelkreis auf Anlagenebene, der im Offline-Betrieb einwandfrei aussah, kann eine schlechte Dämpfung aufweisen, sobald reale Abtastraten, Signalskalierung und Schaltlogik hinzukommen. Diese frühzeitige Aufdeckung ist der Grund, warum die Echtzeit-Validierung bereits zu Beginn der Regelungsentwicklung stattfinden sollte und nicht erst am Ende.

Ein sinnvoller Testplan beginnt mit Szenarien mit schwachem Netz

Ein sinnvoller Testplan zur Gitterbildung beginnt mit Fällen mit schwachem Gitter, da sich dort die Kontrollaussagen am einfachsten widerlegen lassen. Sie sollten die Qualität der Spannungsreferenz zunächst auf die Probe stellen, bevor Sie zu idealen Bedingungen übergehen. Tests mit starkem Gitter sind zwar nach wie vor wichtig, decken jedoch nicht dieselben Kontrollgrenzen auf.

Die von Ihnen gewählte Reihenfolge sorgt dafür, dass die Testgruppe konzentriert bleibt und Ihre Ergebnisse über verschiedene Controller-Versionen hinweg vergleichbar bleiben. Wenn Sie zunächst mit Fällen mit schwachem Raster beginnen, bleibt die Ausgangsbasis anspruchsvoll und konsistent. Durch die Wiederholung dieser Reihenfolge nach jedem software -Update lassen sich Unterschiede leichter erkennen. Diese Struktur macht die untenstehende Liste zu einer brauchbaren Testroutine statt zu einer losen Checkliste.

• Modellieren Sie zunächst einen Stromnetzanschluss mit geringer Leistung, bevor Sie einen idealen Sammelschienenstromkreis modellieren.
• Wenden Sie symmetrische und asymmetrische Fehler mit verschiedenen Auslösezeiten an.
• Prüfen Sie Laststufen, die die Grenzwerte für Wirk- und Blindstrom auslösen.
• Überprüfen Sie die Übergänge zwischen den Betriebszuständen „Netzbildner“ und „Follower“.
• Wiederholen Sie jeden Fall mit realistischen Mess- und Auslöseverzögerungen.

Ein Speicherwechselrichter, der zur Unterstützung von Fernzuleitungen vorgesehen ist, sollte nicht mit einem reinen „Infinite-Bus“-Szenario gestartet werden. Beginnen Sie mit einer schwachen Quelle und fügen Sie dann die Störungen hinzu, die einen Verlust der Dämpfung oder eine schlechte Fehlerbehebung aufdecken. Diese Reihenfolge erleichtert den Vergleich über verschiedene Versionen von „ software “ hinweg, da jedes neue Ergebnis anhand derselben anspruchsvollen Basislinie beurteilt wird. Szenarien mit starkem Netz sollten weiterhin erst später im Plan behandelt werden, um die normale Betriebsleistung und das Übergabeverhalten zu bestätigen.

Hardware Zeitfehler können ein bestandnes Ergebnis ungültig machen

Hardware Timing-Fehler können dazu führen, dass ein schwacher Regler stabil erscheint oder ein stabiler Regler instabil wirkt. Abtastverzögerungen, Transportverzögerungen und nicht synchronisierte Messungen verändern die Phase, die der Regelkreis wahrnimmt. Wenn man diese Faktoren außer Acht lässt, bedeutet ein zufriedenstellendes Diagramm nicht, dass sich das Regelobjekt vor Ort auch so verhalten wird.

Ein häufiger Fall tritt auf, wenn Spannungsmesswerte einen Zyklus zu spät eintreffen, während die Statusaktualisierungen des Leistungsschalters pünktlich eintreffen. Der Regler reagiert dann auf eine veraltete Wellenform mit Strombefehlen, die für einen neueren Systemzustand vorgesehen sind. Ein weiterer Fall tritt auf, wenn die Regelung auf Anlagen- und Aggregatebene unterschiedliche Zeitbasen verwendet. Die Rückführung mag in Simulationsprotokollen akzeptabel aussehen, doch die Regelkreise „ hardware “ zeigen zusätzliche Überschwingungen oder Fehlauslösungen der Schutzvorrichtungen an, sobald diese Versätze auftreten.

Aus diesem Grund beschränkt sich ein aussagekräftiger Vergleich niemals auf die Definition von netzbildender und netzfolgender Regelung. Die Beurteilung basiert auf wiederholbaren Ergebnissen aus dem Regelkreis, die zeigen, wer den Sollwert festlegt, wer davon abhängt und wie sich die Anlage erholt, wenn das Netz schwierige Bedingungen aufweist. OPAL-RT erfüllt diese Anforderung, da es „ Ingenieur:innen “ die Möglichkeit bietet, Zeitabläufe, Regelinteraktionen und Störungen in Echtzeit zu validieren – wobei Annahmen getestet statt als gegeben vorausgesetzt werden.