Grid-Forming vs. Grid-Following in Tests beherrschen

Ein Stromnetz bleibt nur dann gesund, wenn sich alle Wechselrichter einig sind, wer führt und wer folgt, und diese einfache Wahrheit entscheidet über alles, von der Spannungsqualität bis zum Blackout-Risiko.

Warum netzbildende Wechselrichter gegenüber netzgeführten Wechselrichtern für die Systemstabilität wichtig sind

Der Hauptunterschied zwischen netzbildenden Wechselrichtern und netzfolgenden Wechselrichtern ist die Quelle der Referenzspannung: netzbildende Geräte erzeugen sie, während netzfolgende Geräte auf sie warten. Dieser einzige Unterschied ist für die Stabilität entscheidend. Wenn ein Wechselrichter seine eigene Frequenz und Spannung festlegt, kann er schwache Netze verankern, Störungen überstehen und Strom mit anderen Quellen teilen, selbst wenn die Verbindung zum Stromnetz ausfällt. Netzgeführte Geräte hingegen synchronisieren sich auf eine bestehende Wellenform. Sie verhalten sich wie Präzisionsstromquellen und ziehen sich zurück, sobald der Bezug abbricht, so dass sie ein isoliertes microgrid allein am Leben erhalten.

Plötzliche Unterbrechungen machen deutlich, was auf dem Spiel steht. Wenn ein Waldbrand eine Einspeisung isoliert, halten netzbildende Wechselrichter die Frequenz, bis die Einsatzkräfte den Unterbrecher schließen. Wenn die gleiche Einspeisung nur von netzgekoppelten Einheiten abhängt, könnte die gesamte Stromerzeugung ausfallen und Kund:innen den Strom entziehen. Auf der Versorgungsebene bedeutet ein schrumpfender Anteil an Synchronmaschinen, dass es weniger drehende Massen gibt, die Stöße abfangen können; die netzbildende Regelung stellt die schnelle Trägheit elektronisch wieder her, glättet Frequenzrampen und verhindert Schutzauslösungen. Für Ingenieur:innen , die die IEEE 2800-Norm einhalten oder die Ride-Through-Profile der North American Electric Reliability Corporation (NERC) erfüllen müssen, ist die Wahl des richtigen Regelungsmodus jetzt eine wichtige Designentscheidung.

Hauptunterschiede zwischen netzbildenden und netzfolgenden Wechselrichtern

Der Hauptunterschied zwischen netzbildender und netzfolgender Topologie liegt in der Regelungsstrategie, aber diese Entscheidung wirkt sich auch auf die Dimensionierung der hardware , die Schutzeinstellungen und die Zertifizierungsabläufe aus. Der folgende Vergleich zeigt vier Bereiche auf, die Ingenieur:innen bei der Projektplanung berücksichtigen.

Steuerungsreferenz und Synchronisation

Netzbildende Wechselrichter synthetisieren intern eine Spannungswellenform, häufig mit einem virtuellen Oszillator, und geben diese Referenz dann an den Bus weiter. Netzgeführte Geräte messen zunächst die Netzspannung über einen Phasenregelkreis und speisen dann einen an diese Referenz angepassten Strom ein. Da netzbildende Geräte nicht nach einem externen Phasensignal suchen, reagieren sie innerhalb von Millisekunden, wenn sich die Netzbedingungen ändern, und halten den Betrieb in Mikronetzen oder auf schwachen Einspeisungen aufrecht. Die Netznachführung benötigt ein stabiles Netz, um zu funktionieren, und ist daher in starken Übertragungszonen besonders leistungsfähig, verliert aber an Autorität, wenn Störungen diese Verbindung unterbrechen.

Unterstützung von Frequenz und Spannung

Ein netzbildender Wechselrichter passt seine Frequenz auf der Grundlage eines momentanen Leistungsungleichgewichts an - er ahmt die Trägheitsreaktion eines Synchrongenerators nach - und senkt gleichzeitig die Spannung mit der Blindleistung, um die VAR-Aufgabe auf die Gleichstromerzeuger zu verteilen. Diese Doppelfunktion ermöglicht eine primäre Frequenzregelung und Spannungsvaritätssteuerung ohne zusätzliche Regler. Netzfolgebaugruppen bieten dynamische Blindleistungsunterstützung durch einstellbare Leistungsfaktorziele, können aber die Systemfrequenz nicht kontrollieren; ihre PLL folgt der Drift, anstatt sie zu stoppen. Diese Einschränkung zwingt die Planer dazu, batteriegestützte Schwungräder oder synchrone Kondensatoren hinzuzufügen, wenn die Netznachführung dominiert.

Verhalten beim Durchfahren von Fehlern

Da netzbildende Regelkreise ihrer eigenen Referenz folgen, erzeugen sie bei Spannungsabfällen weiterhin Spannung und speisen den für Schutzstudien erforderlichen Strom ein. Die Stromstärke ist nach wie vor durch die Halbleiterleistung begrenzt, die Phase bleibt jedoch stabil, was die Belastung der Maschinen durch Gegenströme reduziert. Bei netzgeführten Wechselrichtern kommt es bei starken Spannungsabfällen zum Verlust der PLL-Verriegelung, so dass sie ihre Leistung genau dann einstellen, wenn das Netz Unterstützung benötigt, was zu Kaskadenauslösungen führt. Fortgeschrittene PLLs unterstützen zwar, sind aber immer noch nicht so belastbar wie die netzgekoppelten.

Auswirkungen auf schwache Netze

In Einspeisungen mit hohen X/R-Verhältnissen, die Resonanzen in kritische Frequenzbereiche verschieben, unterdrücken netzbildende Wechselrichter Schwingungen, indem sie die dominierende Spannungsquellenimpedanz bilden. Umgekehrt interagieren netzgeführte Wechselrichter mit dieser Impedanz und verstärken Spannungsflimmern, insbesondere wenn mehrere Geräte parallel an einem gemeinsamen Kopplungspunkt betrieben werden.

Der Hauptunterschied zwischen netzbildenden Wechselrichtern und netzfolgenden Wechselrichtern ist die Quelle der Referenzspannung; netzbildende Geräte erzeugen sie, während netzfolgende Geräte auf sie warten.

Wann sollten netzbildende Wechselrichter bei der Auslegung von Stromversorgungssystemen verwendet werden?

Netzbildende Wechselrichter eignen sich für jedes Projekt, das auf Autarkie oder Widerstandsfähigkeit abzielt. Abgelegene Bergwerke, inselartige Militärbasen und Mikronetze mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien lassen bei Ausfällen das Licht brennen, indem sie mindestens einen Wechselrichter mit der Netzbildung beauftragen. Hybride Anlagen, die Photovoltaikanlagen mit Batteriespeichern koppeln, stützen sich ebenfalls auf die netzbildende Steuerung, um synthetische Trägheit und Reserven für die Begrenzung der Frequenz zu liefern. Onshore-Windparks, die über schwache Wechselstromleitungen angeschlossen sind, gewinnen an Exportkapazität, wenn die ersten Turbinen, die auf netzbildende Firmware aufgerüstet werden, die Spannung am Verbindungspunkt stabilisieren. Versorgungsunternehmen, die HGÜ-Verbindungen in Betrieb nehmen, führen denselben Vorteil an: Spannungsgesteuerte Umrichter, die im netzbildenden Modus arbeiten, glätten Leistungsschwankungen, wenn Gleichstromfehler behoben sind.

Wie Grid Forming die Integration erneuerbarer Energien und Inselnetze unterstützt

Variable renewables introduce fast power ramps and low short-circuit currents, challenging legacy protection schemes. Grid-forming inverters address this through virtual synchronous machine (VSM) control, delivering fault currents compliant with grid-code templates (e.g., LVRT requirements) and stabilizing frequency during generation surges. In islanded grids, sudden load shifts (e.g., sawmill startups) cause frequency deviations, but grid-forming droop control corrects these within 200–500 ms—well below equipment tolerance thresholds (±0.5 Hz). Unlike synchronous machines, these sources activate in <2 seconds, enabling fuel-free cycling for load-following. Studies, including ERCOT simulations and Hydro Tasmania deployments, demonstrate 10–15% reserve margin reductions when grid-forming fleets replace synchronous condensers, lowering capex while reallocating spinning reserves to revenue service.

Gemeinsame Herausforderungen bei der Tests und Validierung von netzbildenden Wechselrichtern

• Verfügbarkeit der Modelle: Die Hersteller schützen ihre eigene Firmware, daher fehlen Ingenieur:innen detaillierte Angaben zur Übertragungsfunktion.
• Unstimmigkeiten zwischen Controller hardware Hardware: Laborprototypen können im Gegensatz zu den endgültigen Feldgeräten auf digitalen Signalprozessoren laufen, was die Zeitplanung verzögert.
• Emulation der Netzstärke: Die Nachbildung von Impedanzen schwacher Netze in großem Maßstab erfordert Verstärker mit hoher Bandbreite oder elektromagnetische Transientenlöser (EMT).
• Koordination mehrerer Anbieter: Die Vermischung von netzbildenden und netzfolgenden Anbietern erschwert die Bewertung der Stabilität des geschlossenen Kreislaufs.
• Rückverfolgbarkeit der Konformität: Der Nachweis, dass die Tests mit den IEEE 2800-Wellenformen übereinstimmen, erfordert synchronisierte Messungen zwischen den Controllern.
• Ressourcen-Fußabdruck: Die vollständige EMT-Simulation einer 300-MW-Anlage beansprucht CPU-Ressourcen, es sei denn, die Plattform verteilt die Aufgaben auf FPGA- und Prozessorkerne.
• Iterative Firmware-Updates: Jeder Patch ändert die Kontrollkoeffizienten und erfordert Regressionstests, um die Auslöseeinstellungen vor der Einführung vor Ort zu sichern.

Wie OPAL-RT die Rasterbildung und die rasterfolgende Simulation unterstützt

OPAL-RT löst diese Tests , indem es Ihnen ermöglicht, den Steuercode des Originalgeräteherstellers in eine geschützte Blackbox-Schnittstelle zu laden, die auf FPGA-CPU hardware läuft. Das geistige Eigentum bleibt verschlüsselt, dennoch können Sie die Eingänge prüfen und die Ausgänge in Echtzeit beobachten, so dass Szenarien mit netzbildenden Wechselrichtern und netzfolgenden Anlagen die volle EMT-Treue ohne zusätzliche Schaltschränke erreichen. Multi-Rate-Solver verarbeiten Schaltvorgänge im Mikrosekundenbereich neben Netzwerktransienten im Millisekundenbereich und ermöglichen so eine Latenzzeit von unter 100 µs für hardware. Da die Plattform über Standardprotokolle verbunden wird, können Sie SCADA, Phasenmessgeräte und Schutzrelais auf demselben Prüfstand integrieren, wodurch sich die Modellvalidierungszyklen um Wochen verkürzen und der Aufwand für das Testlabor verringert wird. Versorgungsunternehmen, unabhängige Stromerzeuger und OEMs verlassen sich auf diesen offenen Ansatz, um die Einhaltung der Netzformung zu überprüfen, Verbindungsstudien zu verkürzen und Firmware in der Gewissheit einzuführen, dass die Leistung im Feld mit der auf dem Prüfstand übereinstimmt.

Ingenieur:innen und Innovator:innen:innen rund um den Globus setzen auf Echtzeitsimulation, um die Entwicklung zu beschleunigen, Risiken zu reduzieren und die Grenzen des Machbaren zu erweitern. Bei OPAL-RT vereinen wir jahrzehntelange Erfahrung und eine Leidenschaft für Innovation, um die offensten, Skalierbar und leistungsfähigsten Simulationslösungen der Branche anzubieten. Von Tests bis hin zu KI-fähigen Cloud-Simulationen - unsere Plattformen ermöglichen es Ihnen, mit Zuversicht zu entwerfen, zu testen und zu validieren.

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