Stabilisierung erneuerbarer Energiesysteme und Verbesserung der Netzstabilität mit netzbildenden Wechselrichtern (Grid Forming Inverters)

Impedyme Grid-Forming (GFM) Validierungsinitiative

Die Impedyme GFM Validation Initiative stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Forschung zur Netzstabilität dar und unterstreicht Impedymes Führungsrolle bei Technologien der nächsten Generation zur Netzregelung. Durch umfassende Modellierung, Simulation und experimentelle Tests zeigt Impedyme, wie netzbildende Wechselrichter (GFMs) die stabilisierenden Funktionen übernehmen können, die zuvor von synchronen Maschinen erfüllt wurden – und damit ein robusteres, von Wechselrichtern dominiertes Energiesystem ermöglichen.

1. Validierung eines grid-forming PV-Systems

Unter Nutzung der fortschrittlichen Converter Grid Interface (CGI)-Plattform und einer Echtzeit-Digitalsimulationsumgebung führte das Ingenieurteam eine vollständige Validierung eines intern entwickelten 2-MW-Photovoltaik-Grid-Forming-Wechselrichters durch.

Die Validierung umfasste verschiedene Betriebsmodi und Störungsszenarien, darunter:

• Schwarzstartbetrieb in einem Inselnetz
  
• Nahtlose Synchronisation mit einem schwachen oder dynamisch instabilen Netz
  
• Dynamische Reaktion auf plötzliche Last- und Frequenzänderungen
  
• Leistungsqualität und Stabilität bei schwankender Solarerzeugung
  

Die Testergebnisse bestätigten, dass der Wechselrichter eigenständig Netzspannung und -frequenz aufbauen,, Wirk- und Blindleistungsflüsse regelnund dynamische Stabilität ohne externe Netzreferenzen aufrechterhalten kann – ein klarer Nachweis echter Grid-Forming-Fähigkeit.

2. Grid-Forming-Leistung von Windenergieanlagen

Impedyme erweiterte seine Validierungsaktivitäten auf eine 2,5-MW-Testplattform für einen grid-forming Doppelt gespeisten Asynchrongenerator (DFIG). In Kombination mit einer hochpräzisen Hardware-in-the-Loop (HIL) Umgebung wurden schwache Netze mit Kurzschlussverhältnissen (SCR) unter 2simuliert, um Stabilitätsgrenzen und Wechselwirkungen zwischen Umrichter und Netz detailliert zu untersuchen.

Der Fokus lag auf zentralen Leistungsmerkmalen von GFM-Windenergieanlagen, darunter:

• Synthetische Trägheitsreaktion bei Frequenzabweichungen
  
• Dynamische Spannungsregelung bei Blindleistungsschwankungen
  
• Niederspannungs-Überbrückung (LVRT) und Wiederherstellung nach Fehlern
  
• Inselnetzerkennung und Resynchronisation nach transienten Ereignissen
  

Experimentelle Daten bestätigten, dass Impedymes GFM-Windsysteme aktiv zur Netzstabilität und -robustheit beitragen können – selbst in stark wechselrichterdominierten Netzen mit minimaler physikalischer Trägheit.

Power Hardware-in-the-Loop (PHIL): Verbindung von Simulation und Realität

Eine reine Simulation kann die nichtlinearen Dynamiken realer Hardware nicht vollständig abbilden. Daher integriert Impedyme Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL)-Systeme in seine Testplattformen, um eine hochpräzise und sichere Validierung von Hard- und Software unter geschlossenen Regelkreisbedingungen zu ermöglichen.

Wie PHIL das Testen verbessert:

• Ein digitaler Echtzeitsimulator erzeugt das virtuelle Netz und die Systemumgebung.
  
• Ein Leistungsverstärker oder ein Netzsimulator von Impedyme wandelt die Simulationsergebnisse in reale Spannungen und Ströme um und treibt die zu testende Hardware an.
  
• Die Hardwaregerät (z. B. ein grid-forming Wechselrichter, Umrichter oder Turbinenemulator) reagiert wie in einem realen Netz.
  
• Die Reaktion (Spannung, Strom, Regelsignale) wird gemessen, digitalisiert und in die Simulation zurückgeführt – wodurch eine geschlossene Wechselwirkung zwischen realer Hardware und simuliertem System entsteht.

Die PHIL-Testsysteme von Impedyme reichen von Labormaßstab bis hin zu Hochleistungsplattformen und schließen die Lücke zwischen Modellierung und praktischer Anwendung. Sie unterstützen die Validierung von Umrichtern, Netz-Emulatoren, Wechselrichtern, MikronetzenEV Antriebssträngenund mehr.

Warum netzbildende Wechselrichter die Zukunft der Stabilität erneuerbarer Energien sind

Mit dem Ausstieg traditioneller synchroner Generatoren verliert das Stromnetz seine natürliche Trägheit und Spannungsreferenz. Konventionelle netzfolgende Wechselrichter sind auf das bestehende Netz angewiesen, um Spannung und Frequenz über eine Phasenregelung (PLL) festzulegen, was ihre Leistungsfähigkeit in schwachen oder Inselnetzen einschränkt. Ohne ein starkes Netz können sie keinen stabilen Betrieb aufrechterhalten, wodurch erneuerbare Energiesysteme anfällig für Frequenzschwankungen und Spannungsinstabilitäten werden.

Netzbildende Wechselrichter (GFMs) überwinden diese Einschränkung, indem sie aktiv Netzspannung und -frequenz erzeugen und das Verhalten synchroner Maschinen nachbilden. Mithilfe fortschrittlicher Regelalgorithmen stellen sie virtuelle Trägheit bereit, verteilen Lasten dynamisch und stabilisieren das System bei transienten Ereignissen. Diese autarke Betriebsweise ermöglicht Schwarzstarts, unterstützt Inselnetze und gewährleistet Zuverlässigkeit in erneuerbaren Energiesystemen mit geringer Trägheit. GFMs bilden somit das Fundament eines stabilen, vollständig erneuerbaren Stromnetzes.

Echtzeit-Netzsimulation: Digitale Zwillinge für stabile erneuerbare Energiesysteme

Ergänzend zur physischen Emulation verwendet Impedyme Echtzeit-Digitalzwillinge ganzer Stromnetze. Diese Modelle ermöglichen es Forschern, verschiedene Szenarien zu untersuchen, darunter:

• Großskalige Integration erneuerbarer Energien (bis zu 100 %)
• Dynamische Wechselwirkungen zwischen PV-, Wind- und Speicher-GFMs
• Koordinierte Regelung in hybriden Kraftwerken
• Strategien zur Netzwiederherstellung nach Blackouts

In Kombination mit PHIL stellen diese digitalen Simulationen sicher, dass jeder GFM-Wechselrichter oder jede hybride Anlage sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene umfassend validiert wird..

Eine neue Ära der Netzstabilität erneuerbarer Energien

Impedyme zeigt, wie netzbildende Wechselrichter, Netzemulationund PHIL-basierte Validierung das Paradigma der Netzstabilität in erneuerbaren Energiesystemen neu definieren. Durch Echtzeittests, digitale Zwillinge und großskalige Experimente verfügen Ingenieure heute über die notwendigen Werkzeuge, um vollständig erneuerbare Stromnetze zu entwickeln, die ohne konventionelle Infrastruktur stabil betrieben werden können.

Da der Anteil erneuerbarer Energien in vielen Systemen weltweit bereits über 80 % liegt, bilden die aus diesen Entwicklungen hervorgehenden Technologien die Grundlage für zukünftige intelligente, stabile und CO₂-freie Energienetze und tragen maßgeblich zur weiteren Verbesserung der Netzstabilität bei. Netzstabilität.