Netzgekoppelte versus netzunabhängige Mikronetze: Wichtige Unterschiede und Anforderungen an die Ausrüstung

Mikronetze weisen zwei grundlegende Betriebsmodi auf: netzgekoppelt und netzunabhängig. Diese unterscheiden sich deutlich hinsichtlich der Regelungslogik, der Geräteauswahl und der Schutzeinstellungen. Das Verständnis dieser Unterschiede bildet die Grundlage für die Geräteauswahl in der frühen Projektphase.

1. Funktionsweise der beiden Mikronetztypen

Im netzgekoppelten Betrieb ist das Mikronetz über den Punkt der gemeinsamen Kopplung (PCC) mit dem externen Hauptnetz verbunden. Das Hauptnetz ist für die Stabilisierung von Spannung und Frequenz verantwortlich. Die dezentralen Erzeuger und die Energiespeicher innerhalb des Mikronetzes folgen dem Netz und kooperieren vorwiegend, statt es zu unterstützen. Das externe Netz fungiert wie eine sehr große Spannungsquelle und Frequenzquelle und nimmt die Schwankungen des Mikronetzes auf.

Im Inselbetrieb ist der PCC getrennt, und das Mikronetz wird zu einem kleinen, unabhängigen Stromversorgungssystem. Es gibt keine externe Energiequelle, auf die man sich verlassen kann. Die Energiespeicher, die Photovoltaikanlagen, die Dieselgeneratoren und andere Energiequellen innerhalb des Mikronetzes müssen Spannung und Frequenz selbst erzeugen und kontinuierlich Erzeugung und Last ausgleichen. Die Regelungsart wechselt von einer netzgeführten zu einer aktiven Netzunterstützung, wodurch die Komplexität deutlich steigt.

Der Wechsel zwischen den beiden Betriebsarten gliedert sich in geplanten und ungeplanten Wechsel. Beim geplanten Wechsel steht eine Vorbereitungszeit zur Verfügung: Die interne Erzeugung und die Last können zunächst angepasst werden, bevor das Mikronetz reibungslos getrennt wird. Der ungeplante Wechsel wird häufig durch einen Netzfehler ausgelöst. Nach Erkennung der Störung muss die Steuerung schnell trennen und die Energiespeicher- oder Notstromversorgung übernehmen, während gleichzeitig einige nicht-kritische Lasten abgeschaltet werden, um eine Überlastung und einen Kollaps des kleinen Systems zu verhindern. Beim Wiedereinschalten vom Inselbetrieb in den Netzbetrieb müssen zunächst Spannung, Frequenz und Phasensynchronisation abgeschlossen sein. Andernfalls tritt beim Schließen ein Stromstoß auf, der möglicherweise Geräte beschädigt.

2. Technische Herausforderungen des Inselbetriebs während eines Stromausfalls

Nach Ausfall der Versorgungsspannung und Übergang des Systems in den Inselbetrieb ist die größte Veränderung, dass die Systemträgeheit verschwindet das Hauptnetz verfügt über zahlreiche rotierende Maschinen, die naturgemäß Trägheit bereitstellen und Frequenzschwankungen infolge plötzlicher Laständerungen puffern können. Ein netzfernes Mikronetz ist klein, und leistungselektronische Geräte wie Energiespeicherumrichter können diese physikalische Trägheit nicht liefern. Frequenz und Spannung reagieren daher schneller und mit größerer Amplitude auf Störungen.

Dies führt zu drei spezifischen Problemen. Erstens schnelle Regelung von Frequenz und Spannung . Im netzfernen Betrieb muss der Energiespeicherumrichter vom netzgeführten in den netzbildenden Betrieb wechseln und aktiv den Spannungs- und Frequenzbezug festlegen. Dies ist deutlich schwieriger zu steuern als im netzgekoppelten Betrieb. Zweitens glattheit des ungeplanten Umschaltens . Fällt die Spannung oder Frequenz während des Umschaltens zu stark ab, können empfindliche Verbraucher abschalten oder beschädigt werden. Die Umschaltsteuerung muss daher innerhalb weniger Millisekunden den Zustand erkennen und die Strategie anpassen. Drittens änderungen des Erdungssystems bei Anschluss an das Netz erfolgt die Erdung durch das Hauptnetz. Nach dem Übergang in den Inselbetrieb kann sich die Erdungsart ändern, was unmittelbar den Fehlerstrompfad sowie die korrekte Funktion der Schutzeinrichtungen beeinflusst.

3. Unterschiedliche Anforderungen an Transformatoren, Schaltanlagen und Schutzsysteme

Mit einem Leistungsumfang von mehr als 50 W

Bei einer netzgekoppelten Architektur wird die Transformatorleistung hauptsächlich durch die Austauschleistung zwischen dem Mikronetz und dem Versorgungsnetz bestimmt; die Schaltgruppe und das Übersetzungsverhältnis werden so gewählt, dass sie mit der Netzspannung übereinstimmen. Bei einer netzunabhängigen Architektur muss der Transformator zudem bei niedriger Last und bei stoßartigen Lasten eine stabile Spannung aufrechterhalten, weshalb zusätzliche Anforderungen an die Spannungsregelungsfähigkeit und die Impedanzgestaltung gestellt werden. Wenn die Kurzschlussleistung begrenzt ist, trägt die Transformatorimpedanz ebenfalls zur Begrenzung des Fehlerstroms bei. Die Verteilungstransformatoren und Trockentransformatoren von Zhongmeng ermöglichen eine Anpassung der Schaltgruppen und der Spannungsregelkonfigurationen entsprechend der Mikronetzleistung und den Lasteigenschaften, um sich den unterschiedlichen Prioritäten beider Architekturen anzupassen.

Schaltanlagen

Die Grenze zwischen netzgekoppelter und netzunabhängiger Betriebsweise wird üblicherweise am PCC festgelegt. Der Schalter an dieser Stelle muss bidirektionale Ausschaltfähigkeit besitzen: Er muss bei einem Netzausfall schnell unterbrechen, um zu verhindern, dass das Mikronetz Leistung in das gestörte Netz zurückspeist, und er muss zudem zuverlässig öffnen, sobald ein netzunabhängiger Betrieb erforderlich ist. Die Hoch- und Niederspannungsschaltanlagen sowie die vormontierten Kabinenausrüstungen von Zhongmeng werden werkseitig vormontiert und getestet. Vor Ort müssen lediglich die Leitungen angeschlossen werden, was sich besonders für Mikronetzprojekte eignet, bei denen eine schnelle Inbetriebnahme erforderlich ist.

Schutzsysteme

Dies ist der Bereich mit dem größten Unterschied zwischen den beiden Architekturen. Im netzgekoppelten Betrieb stammt der Fehlerstrom hauptsächlich vom Hauptnetz, und das Kurzschlussstromniveau ist relativ hoch. Nach dem Umschalten in den netzunabhängigen Betrieb wird der Kurzschlussstrom ausschließlich von den dezentralen Quellen innerhalb des Mikronetzes bereitgestellt und kann nur ein Bruchteil des netzgekoppelten Wertes betragen. Wenn die Schutzparameter weiterhin für den netzgekoppelten Betrieb eingestellt sind, kann das Relais im netzunabhängigen Modus möglicherweise Störungen nicht erkennen und entsprechend nicht ansprechen. Daher muss das Schutzsystem in beiden Betriebsarten eine adaptive Funktionalität aufweisen oder zumindest in der Lage sein, bei einer Betriebsartänderung die Schutzparametergruppen zu wechseln. Die Netzschnittstelle erfordert zudem einen bidirektionalen Schutz, um Störungen sowohl auf der Netzseite als auch auf der Mikronetzseite abzudecken. Die Schutz- und Steuergeräte von Zhongmeng können gemeinsam mit Schaltanlagen und Transformatoren als komplettes Paket integriert werden, wodurch Koordinationsrisiken zwischen Geräten verschiedener Lieferanten reduziert werden.

4. Spannungs-, Frequenz- und Lastschwankungsprobleme in Inselnetzsystemen

Im Inselnetzbetrieb werden Spannung und Frequenz nicht mehr vom öffentlichen Netz gestützt, sondern in Echtzeit durch zentrale Steuerquellen wie Energiespeicherumrichter oder Dieselgeneratoren geregelt. Das übliche Betriebsziel besteht darin, die Frequenz nahe bei 50 Hz und die Spannungsabweichung innerhalb eines für die Verbraucher akzeptablen Bereichs zu halten. In der Praxis verursachen jedoch sowohl Schwankungen der PV-Leistung als auch das Einschalten und Abschalten großer Verbraucher Störungen.

Die Lastschwankung ist der direkteste Test für ein Inselnetzsystem. Wenn ein relativ großer Motor startet, kann dies die Systemspannung sofort absenken. Wenn die PV-Leistung aufgrund von Bewölkung plötzlich sinkt, kann die Frequenz ansteigen. Die Inselnetzsteuerung muss unter solchen fortlaufenden Störungen stabil bleiben. Gleichzeitig muss die Batteriespeicheranlage schnell Leistung laden und entladen, um Schwankungen auszugleichen, und bei Bedarf nach Priorität nicht-kritische Lasten abtrennen. Normen verlangen bereits, dass die Umschaltzeit vom Inselnetz in das Verbundnetz höchstens 10 ms beträgt; dies stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die Konsistenz der Reaktionsgeschwindigkeit von Steuergeräten und Schaltanlagen.

5. Elektrische Parameter, die in der frühen Projektphase zu bestätigen sind

Je klarer die Parameter in der frühen Phase sind, desto geringer ist der Aufwand für Nacharbeiten bei der Geräteauswahl und der Einstellung von Schutzeinrichtungen. Folgende Parameter sollten zuerst bestätigt werden:

Kurzschlussstromstärke. Die maximalen und minimalen Kurzschlussströme müssen getrennt für netzgekoppelte und netzunabhängige Betriebsbedingungen ermittelt werden. Im netzgekoppelten Modus werden sie gemeinsam durch das Netz und dezentrale Erzeuger bereitgestellt. Im netzunabhängigen Modus werden sie ausschließlich durch dezentrale Erzeuger bereitgestellt. Die beiden Werte können sich um das Mehrfache unterscheiden. Dies ist die unmittelbare Grundlage für die Auswahl der Schaltgeräte-Ausschaltleistung und die Einstellung der Schutzwerte.

Erdungsverfahren. Die Erdungsverfahren auf Netzebene und auf Mikronetzebene sollten aufeinander abgestimmt sein. Das Neutralpunkt-Erdungsverfahren bestimmt Höhe und Strompfad des einphasigen Erdfehlerstroms und beeinflusst zudem die Wahl der Transformator-Schaltgruppe. Nach dem Übergang in den netzunabhängigen Betrieb können sich die Erdungsbedingungen ändern; daher ist die Erdungsanordnung vor und nach dem Umschalten bereits in der Planungsphase festzulegen.

Transformator-Parameter. Dazu gehören die Nennleistung, das Übersetzungsverhältnis, die Vektorklasse, die Impedanzspannung und die Spannungsregelungsmethode. Die Leistung kann entsprechend der maximalen kontinuierlichen Austauschleistung zwischen dem Mikronetz und dem externen Netz ausgewählt werden; zudem ist zu prüfen, ob Lastspitzen im Inselbetrieb gestartet werden können.

Oberschwingungscharakteristik. Das Oberschwingungsspektrum, die Oberschwingungsordnung und der Oberschwingungsgehalt von Wechselrichtern und nichtlinearen Lasten sollten im Voraus bekannt sein. Oberschwingungen beeinträchtigen die Netzqualität und können zudem zusätzliche Transformatorenheizung sowie Kondensatorresonanzen verursachen. Bei der Auswahl sind die jeweilige Oberschwingungsfestigkeit oder geeignete Minderungsmaßnahmen zu berücksichtigen.

Zulässige Frequenz- und Spannungsbereiche. Die Betriebsgrenzen sowohl im netzgekoppelten als auch im Inselbetrieb sowie die zulässigen transienten Abweichungen beim Umschalten sind festzulegen. Diese Kenngrößen bestimmen unmittelbar die Regelstrategie des Wandlers und die Einstellungen der Schutzeinrichtungen.

Lastklassifizierung und maximale Lastspitze. Ein netzunabhängiges System hat eine begrenzte Kapazität. Es ist erforderlich, kritische und nicht-kritische Lasten zu unterscheiden sowie die Anlaufmethode und den Anlaufstrom des größten einzelnen Motors zu bestätigen. Dies bestimmt die erforderliche Überlastfähigkeit des Energiespeicherumrichters und die Schwelle der netzunabhängigen Lastabwurfstrategie.

Zhongmeng-Produktintegrationspunkte: Die oben genannten Parameter müssen letztendlich in spezifische Geräte umgesetzt werden. Verteiltransformatoren übernehmen die Spannungsumwandlung und die Impedanzanpassung. Schaltanlagen übernehmen das Öffnen/Schließen des PCC (Point of Common Coupling) und den Schutz der Stromkreise. Kundenspezifische Stromverteilungsgeräte integrieren Transformatoren, Schaltanlagen, Schutz- und Steuerfunktionen sowie Überwachungssysteme in vorgefertigte Kabinen oder bodenmontierte Umspannwerke und reduzieren so Koordinationsfehler während der Montage vor Ort. Falls Kurzschlussstrom, Erdungsart, Oberschwingungen und Lastcharakteristiken bereits in der frühen Projektphase festgelegt werden, kann die komplette Ausrüstung an die tatsächlichen Betriebsbedingungen angepasst werden, anstatt bei Standardprodukten passive Kompromisse einzugehen.

6. Anwendungsszenarien

7. Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der wesentliche Unterschied zwischen netzgekoppelten und netzunabhängigen Mikronetzen?

A: Der wesentliche Unterschied liegt in der Regelungslogik. Im netzgekoppelten Modus stellt das externe Hauptnetz die Spannungs- und Frequenzvorgabe bereit, und das Mikronetz folgt dem Netz. Im netzunabhängigen Modus muss das Mikronetz mittels interner Energiespeicher und Generatoren selbstständig Spannung und Frequenz erzeugen, was die Regelung deutlich komplexer macht.

F: Warum unterscheidet sich das Schutzsystem zwischen beiden Architekturen?

A: Die Kurzschlussstromwerte unterscheiden sich erheblich. Im netzgekoppelten Betrieb stellt das Hauptnetz einen hohen Fehlerstrom bereit. Im Inselbetrieb liefern lediglich dezentrale Quellen den Fehlerstrom, der nur einen Bruchteil des netzgekoppelten Werts betragen kann. Schutzparameter, die für netzgekoppelte Bedingungen ausgelegt sind, können Fehler im Inselbetrieb möglicherweise nicht erkennen; daher sind ein adaptiver Schutz oder umschaltbare Parametersätze erforderlich.

F: Welche Umschaltzeit ist beim Übergang vom Insel- zum netzgekoppelten Betrieb erforderlich?

A: Industriestandards verlangen, dass die Umschaltzeit vom Insel- zum netzgekoppelten Betrieb maximal 10 ms beträgt. Dies stellt äußerst hohe Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit von Steuerungen und Schaltgeräten und erfordert eine präzise Synchronisierung von Spannung, Frequenz und Phase vor der Wiederverbindung.

F: Welche Rolle spielen Transformatoren in einem Mikronetz?

A: Transformatoren übernehmen die Spannungsumwandlung und die Impedanzanpassung zwischen dem Mikronetz und dem externen Netz. Im Inselbetrieb müssen sie zudem die Spannungsstabilität bei niedriger Last und bei stoßartigen Lasten gewährleisten. Die Transformatorimpedanz kann zudem helfen, den Fehlerstrom einzubegrenzen, wenn die Kurzschlussleistung begrenzt ist.

F: Welche elektrischen Parameter sollten bereits in der frühen Phase eines Mikronetz-Projekts festgelegt werden?

A: Zu den wesentlichen Parametern zählen: Kurzschlussstromwerte für beide Betriebsarten, Erdungsart, Transformatorparameter (Leistung, Übersetzungsverhältnis, Schaltgruppe, Impedanz), Oberschwingungscharakteristik, zulässige Frequenz- und Spannungsbereiche sowie Lastklassifizierung mit maximaler stoßartiger Last. Eine frühzeitige Festlegung dieser Parameter verringert Nacharbeiten bei der Geräteauswahl und der Einstellung der Schutzeinrichtungen.