Netzbildende vs. netzgeführte Wechselrichter

In einem netzunabhängigen Stromversorgungssystem ist die Wahl zwischen einem netzbildenden und einem netzfolgenden Wechselrichter keine Frage einiger Prozentpunkte an Effizienz. Vielmehr entscheidet sie darüber, ob das System eine Spannung aufbauen kann oder gar nicht starten kann. Der Unterschied beruht auf einem einzigen Steuerungsprinzip: Stromquelle versus Spannungsquelle.

Stromquelle vs. Spannungsquelle

Ein netzfolgender Wechselrichter verhält sich wie eine gesteuerte Stromquelle. Er nutzt eine Phasenregelschleife (PLL), um die Phase einer vorhandenen Wechselspannung zu messen, und speist Strom synchron zu dieser Referenz ein. Sein Betrieb ist vollständig von einer externen Spannungs- und Frequenzreferenz abhängig. In einer netzunabhängigen Umgebung, in der keine solche Referenz existiert, hat ein netzfolgender Wechselrichter nichts, dem er folgen könnte.

Ein netzbildender Wechselrichter hingegen arbeitet als Spannungsquelle. Er erzeugt seinen eigenen internen Spannungsphasor mit lokal festgelegtem Betrag und Frequenz, und andere Quellen sowie Lasten synchronisieren sich an diesen Bezugspunkt an. In diesem Sinne ähnelt sein Verhalten dem eines Synchrongenerators: Er wartet nicht auf das Vorhandensein eines Netzes, sondern schafft vielmehr die Voraussetzungen dafür.

Warum netzunabhängige Systeme netzbildende Regelung benötigen

In einem Mikronetz oder einem inselbetriebenen System gibt es kein Versorgungsnetz, das die Spannungs- und Frequenzgrundlage bereitstellt. Wenn das Leistungsumwandlungssystem (PCS) im netzfolgenden Modus arbeitet, übernimmt kein Gerät im System die Verantwortung für die Festlegung dieser Grundlage. Das Mikronetz kann daher nicht in Betrieb genommen werden. Dies ist keine marginale Leistungseinschränkung; es handelt sich vielmehr um eine funktionale Voraussetzung.

Das gleiche Prinzip gilt auch bei Anschluss leistungsstarker Motoren. Asynchronmotoren ziehen beim Hochfahren einen hohen Einschaltstrom, der die Regelkreise des Wechselrichters in einem inselbetriebenen Mikronetz stören kann. Ein netzbildender Wechselrichter muss einen kurzzeitigen Spannungsabfall innerhalb der Durchhaltegrenzen gemäß IEEE Std. 1547 zulassen, während er gleichzeitig die Spannungsregelung aufrechterhält und ein Auslösen vermeidet.

Netzfolgende Wechselrichter besitzen diese Fähigkeit im Off-Grid-Betrieb nicht, da sie von vornherein nicht die Geräte sind, die die Spannung erzeugen. In Mikronetzen, inselbetriebenen Industriestandorten sowie abgelegenen Bergbau- oder Verarbeitungsanlagen ist daher netzbildende Funktionalität eine Grundvoraussetzung – kein optionaler Zusatz.

Was bei einem netzbildenden PCS zu beachten ist

Zu den wesentlichen Fähigkeiten zählen der Black-Start (Aufbau einer Spannung aus einem stromlosen Zustand), die Trägheitsreaktion im Millisekundenbereich, die Bereitstellung von Kurzschlussstrom zur Überbrückung transienter Vorgänge beim Anlaufen von Motoren sowie ein reibungsloser Übergang zwischen netzgekoppelter und inselbetriebener Betriebsart.

Ein praktisches Beispiel ist ein netzbildender PCS, der mit einem Hochspannungstransformator integriert ist, wie ihn Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical) anbietet. Die netzbildende PCS-Boost-Einheit von Zhongmeng weist eine Reaktionszeit von 10 ms oder weniger sowie einen stabilen Betrieb bei einem Kurzschlussverhältnis (SCR) unter 1,1 auf – ein Bereich, den herkömmliche netzfolgende Geräte in der Regel nicht unterstützen können.

Die Einheit umfasst zudem Trägheitsreaktion, Dämpfungsregelung, parallelen Betrieb mehrerer Einheiten, Black-Start-Funktion sowie Toleranz gegenüber Phasenwinkelsprüngen; der Wirkungsgrad liegt bei mindestens 98,5 %. Diese Spezifikationen sind nicht lediglich als Marketingangaben zu verstehen, sondern weil sie sich unmittelbar auf die oben beschriebenen netzunabhängigen Betriebsbedingungen beziehen.

Eine kurze Auswahl-Checkliste

Bevor ein PCS für ein Inselnetzprojekt spezifiziert wird, lohnt es sich, vier Fragen zu stellen.

1. Beinhaltet das Projekt tatsächlich einen Inselbetrieb? Falls ja, ist eine netzbildende Regelung eine Voraussetzung.

2. Kann das PCS einen Black Start durchführen und an einem leeren Sammelschienensystem eine Spannung aufbauen?

3. Wie hoch ist die Trägheitsreaktionszeit, und ist sie in Millisekunden statt in Sekunden angegeben?

4. Kann das Gerät den Einschaltstrom von Motorlasten ohne Auslösung überstehen?

Falls eine dieser Antworten unklar ist, wurde der Regelungsmodus nicht ausreichend verifiziert.

Anwendungsszenarien

Ein netzbildender Wechselrichter ist kein „besserer“ netzgeführter Wechselrichter. Er ist eine andere Gerätekategorie, die für andere Netzbedingungen geeignet ist. Bei Inselnetzen ist die Auswahl der richtigen Regelarchitektur wichtiger als der Vergleich von Leistungsdaten.

FAQ

F: Was ist der Hauptunterschied zwischen netzbildenden und netzgeführten Wechselrichtern?

A: Netzbildende Wechselrichter agieren als Spannungsquelle, die ihre eigene Referenz erzeugt; netzgeführte Wechselrichter agieren als Stromquelle, die eine vorhandene Spannung zum Folgen benötigt.

F: Kann ein netzgeführter Wechselrichter in einem Inselnetz arbeiten?

A: Nein. Ohne eine externe Spannungsreferenz hat ein netzgeführter Wechselrichter kein Signal, mit dem er sich synchronisieren könnte, und kann daher nicht starten.

F: Was ist die Black-Start-Fähigkeit?

A: Die Fähigkeit, einen stromlosen Sammelschienenabschnitt zu aktivieren und ohne externe Stromquelle eine Spannung aufzubauen.

F: Warum ist die Reaktionszeit für netzunabhängige PCS wichtig?

A: Eine schnelle Reaktionszeit (10 ms oder weniger) gewährleistet die Spannungsstabilität bei plötzlichen Laständerungen und beim Anlaufen von Motoren in Inselnetzen.

F: Was bedeutet ein SCR unter 1,1 für eine PCS?

A: Es zeigt an, dass die PCS einen stabilen Betrieb unter schwachen Netzbedingungen aufrechterhalten kann, bei denen das Kurzschlussverhältnis sehr niedrig ist. able operation in weak grid conditions where the short-circuit ratio is very low.