Aktuell sorgen Großkraftwerke für einen stabilen Wechselstromtakt im europäischen Stromnetz. Forschende der ETH Zürich haben solche Taktgeber auch für PV- und Windstrom entwickelt.

 

Europa soll mit erneuerbarer Energie versorgt werden. Der Ausbau der Kapazitäten der Wind- und Solarkraft und die Bereitstellung von genügend Strom im Winter sind nur zwei der Herausforderungen, die sich dabei stellen. Eine andere ist die Takthaltung der Wechselstromfrequenz von 50 Hertz im Netz. Eine Hundertstelsekunde fließt der Strom in die eine Richtung, eine Hundertstelsekunde in die andere. Die Generatoren der Großkraftwerke geben aktuell diesen Takt vor, sie sind über das Netz miteinander synchronisiert.

Für erneuerbare Erzeuger wie Windkraft und Photovoltaik werden elektronisch gesteuerte Wechselrichter benötigt. Denn Wind- und Solarkraftwerke produzieren Gleichstrom, der nur in eine Richtung fließt. Dieser muss über Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Die heutigen Wechselrichter orientieren sich am Takt des Netzes und speisen ihren Strom synchron dazu ein. Wenn in Zukunft immer weniger Kohle- und Atomkraftwerke im Netz sind, benötigt man neue Taktgeber.

Dafür sind netzbildende Wechselrichter gefragt, die aktiv mithelfen, den Takt stabil zu halten. Wie solche netzbildenden Wechselrichter bei einem Kurzschluss oder einem Spannungseinbruch im Stromnetz weiterarbeiten und zugleich vor Überlastung geschützt werden können, dafür hatten Ingenieure bisher keine funktionierende Lösung. Die Gruppe von Florian Dörfler, Professor für komplexe Regelungssysteme an der ETH Zürich, hat eine Lösung entwickelt.

Radikaler Schutzmechanismus

Bei den heutigen Wechselrichtern sorgt ein Schutzmechanismus dafür, dass sie sich bei einem Netzfehler vom Netz trennen. Dieser Schutz ist notwendig, da der Wechselrichter bei einem starken Spannungseinbruch im Stromnetz versuchen würde, die fehlende Spannung über eine hohe Stromabgabe ins Netz auszugleichen. Dabei würde er überlastet und innerhalb von Millisekunden irreparabel beschädigt.

Mit neuen Algorithmen für eine intelligente Regelung ist es Dörflers Gruppe nun gelungen, die netzbildenden Wechselrichter auch bei einem Netzfehler weiterzubetreiben. Ein rigoroses Abschalten gibt es damit nicht mehr. Damit kann eine Windkraft- oder Photovoltaikanlage auch bei einem Netzfehler am Netz bleiben, weiterhin Strom liefern und so zur Stabilisierung der Netzfrequenz beitragen. Die Anlage kann so die Rolle übernehmen, die heute den klassischen Großkraftwerken zukommt.

Die Steuerung des Wechselrichters misst kontinuierlich die Netzparameter und passt den Wechselrichter über eine Rückkopplungsschleife in Echtzeit daran an. Die ETH Zürich hat ihre neuen Algorithmen zum Patent angemeldet.

Masterarbeiten in der Industrie

Die zündende Idee dazu hatte ein Masterstudent von Dörfler, der mittlerweile an der ETH promoviert. Maitraya Desai erkannte, dass man bei Netzfehlern die Netzspannung und die Frequenz des Wechselstroms am besten unabhängig voneinander behandelt. Bei einem Netzfehler ist es schwierig, die Spannung zu halten. Der neue Regelalgorithmus konzentriert sich daher auf die Taktfrequenz und versucht, diese unter allen Umständen im Netz stabil zu halten. Dabei begrenzt der Regelalgorithmus den Strom, um eine Überlastung des Wechselrichters zu verhindern, die Spannung lässt er dabei frei schwanken.

„Wir und andere forschen seit 15 Jahren auf diesem Gebiet“, sagt Dörfler. Die neuen Algorithmen trügen zur Stabilität des Stromnetzes bei, verringerten das Risiko von Blackouts und ebneten den Weg von zentralen Großkraftwerken hin zu einem dezentralen, flexiblen System kleinerer Kraftwerke, die erneuerbare Energie liefern. Damit könnten sie zu einem entscheidenden Baustein der Energiewende werden, schloss der Forschungsleiter.

Die Originalpublikation zu den netzbildenden Wechselrichtern  steht im Internet in englischer Sprache bereit.