Richtlinie wird weiterentwickelt

Vor inzwischen mehr als fünf Jahren, im Juni 2008, trat die BDEW-Mittelspannungsrichtlinie in Kraft, die die Mindestanforderungen für Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz definiert. Die BDEW-Mittelspannungsrichtlinie hatte weitreichende Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften, die heute von PV-Wechselrichtern in Hinblick auf die Systemdienstleistungen zur Verfügung gestellt werden. Die Anforderungen der Mittelspannungsrichtlinie betreffen im Wesentlichen die Regelung von Wirk- und Blindleistung, den Netz- und Anlagenschutz, Grenzwerte für Oberschwingungsemissionen und das Verhalten bei Netzstörungen.

Viele werden sich erinnern, dass die Einführung alles andere als reibungslos war. Sie kam für viele Hersteller, insbesondere für PV-Wechselrichterhersteller, überraschend. Dies führte dazu, dass in vielen Fällen die geforderte Zertifizierung der elektrischen Eigenschaften nicht wie ursprünglich geplant durchzuführen war. Erschwert wurde dies zusätzlich durch die Tatsache, dass die BDEW-Mittelspannungsrichtlinie in einigen technischen Details nicht ausgereift war. Aus diesem Grund wurde mit inzwischen vier Ergänzungen, die sowohl technische Korrekturen wie auch Änderungen in der Fristenregelung für die Zertifikatspflichten beinhalten, korrigierend eingegriffen.

Von Bedeutung ist die Tatsache, dass die Zuständigkeit für das Themengebiet Netztechnik unmittelbar nach der Veröffentlichung der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie im Juni 2008 vom BDEW an das Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) übertragen wurde. Im VDE/FNN wurden inzwischen die Richtlinien für Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz (VDE-AR-N 4105) und für Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz (E VDE-AR-N 4120) erarbeitet. Erstgenannte wurde im August 2011 veröffentlicht, letztere liegt aktuell in der Entwurfsfassung vor.

Neustart mit den Erfahrungen aus der Praxis Nun beginnt die Erarbeitung der neuen VDE-Anwendungsregel VDE-AR-N 4110 für Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, die bereits Mitte 2014 die BDEW-Mittelspannungsrichtlinie ablösen wird. Neu ist dabei, dass der VDE/FNN sich schon in der frühen Phase der Entwurfsentstehung an die Fachöffentlichkeit gewandt hat und um Anregungen für die Weiterentwicklung der Mittelspannungsrichtlinie bat. Laut VDE/FNN stieß dieses Angebot auf rege Resonanz in den Fachkreisen und führte zu zahlreichen Eingaben aus Industrie, wissenschaftlichen Institutionen und von Fachverbänden. Bei der Erarbeitung der neuen Richtlinie wird man darüber hinaus gezwungen sein, die EU-weit bindenden Anforderungen für alle Arten von Stromerzeugern aus dem neuen ENTSO-E Network Code umzusetzen.

Das Fraunhofer ISE betreibt in Freiburg ein Leistungselektroniklabor zum Test von großen PV-Wechselrichtern bis zu einer Leistung von einem Megawatt. Seit Inkrafttreten der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie unterstützten die Freiburger Wissenschaftler viele Wechselrichterhersteller bei der Erlangung der geforderten Einheitenzertifikate. Aus dieser Arbeit und aus der Vernetzung mit Zertifizierern sowie aufgrund der Mitarbeit in Richtliniengremien resultiert ein großer Erfahrungsschatz in Hinblick auf die Netzintegration von PV-Wechselrichtern.

Im Folgenden machen wir einige Vorschläge für die Weiterentwicklung der Mittelspannungsrichtlinie, die auf Basis der Arbeit der vergangenen Jahre am Fraunhofer ISE entstanden sind. Da die BDEW-Mittelspannungsrichtlinie und die Prüfrichtlinien der Fördergesellschaft Windenergie und andere Erneuerbare Energien, sogenannte FGW-Richtlinien, auf die verwiesen wird, ursprünglich für Windkraftanlagen geschrieben wurden, besteht immer noch ein großer Anpassungsbedarf an die Besonderheiten anderer Erzeugungsformen, wie die Photovoltaik oder Verbrennungskraftmaschinen.

Einige Anforderungen sind technisch fragwürdig, andere lassen das Potenzial, das die Photovoltaik für die Netzstabilität bietet, ungenutzt. Außerdem fehlen wiederum andere Anforderungen, die verhindern sollen, dass die Photovoltaik im Netz neue Probleme provozieren kann. Insbesondere die schnelle Regelbarkeit von rein leistungselektronisch gekoppelten Erzeugern, wie der Photovoltaik, ist nach wie vor nicht berücksichtigt.

Ausgehend von vergleichsweise trägen Generatoren sind bisher nur Obergrenzen für die Dauer der Umsetzung von geänderten Leistungssollwertvorgaben definiert. So ist beispielsweise vorgeschrieben, dass neue Wirk- und Blindleistungssollwerte in maximal einer Minute erreicht werden müssen. PV-Wechselrichter können Änderungen jedoch in wenigen Millisekunden einregeln, was unter Umständen sprungartige Änderungen des Netzzustandes hervorrufen kann. Zukünftig sollten daher auch minimale Einregelzeiten definiert beziehungsweise Leistungsgradienten begrenzt werden.

Eine der größten Baustellen ist das Themenfeld der Netzrückwirkungen, worunter man Spannungsänderungen und Oberschwingungsemissionen im Bereich bis neun Kilohertz versteht, die durch die Anlage verursacht werden. Einerseits stellt durch den Betrieb oder durch Schalthandlungen hervorgerufener Flicker (Spannungsschwankungen, die durch flackerndes Licht wahrgenommen werden können) bei PV-Wechselrichtern erfahrungsgemäß kein Problem dar, und die geforderten Prüfungen scheinen teilweise überflüssig zu sein. Andererseits steht man bei der Suche nach einem sinnvollen Bewertungsverfahren für die von PV-Wechselrichtern verursachten Oberschwingungen noch vor großen Herausforderungen.

Grenzwerte sinnvoll ausgestalten Dabei geht es nicht nur darum, die Grenzwerte für Oberschwingungen richtig festzulegen, sondern zunächst zu klären, welche Oberschwingungspegel für das Netz tatsächlich verträglich sind. Vor allem im Bereich höherer Frequenzen ab zwei Kilohertz, in dem typischerweise die Schaltfrequenzen der Wechselrichter liegen, herrscht noch Unklarheit über die Ausgestaltung der Grenzwerte. Die Erfahrungen mit der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie zeigen, dass die bisher definierten Grenzwerte oft verletzt werden. Es könnte jedoch sein, dass diese unnötig streng sind, da Filterwirkungen für Oberschwingungen im Netz unberücksichtigt bleiben. In der aktuellen Regelung werden diese auch in geringer Anzahl akzeptiert. Gerade das zeigt, dass die Grenzwerte dringend überarbeitet werden müssen. Bedenkt man, dass netzqualitätsbeeinflussende Oberschwingungen nicht nur durch den einzelnen PV-Wechselrichter hervorgerufen werden, sondern sich auch aus der Überlagerung der Oberschwingungsspektren mehrerer parallel betriebener Wechselrichter sowie der Filtereigenschaften der Netzbetriebsmittel (Transformatoren, Leitungen), der Netzimpedanz undletztendlich aus den vorhandenen Spannungsverzerrungen am betrachteten Netzanschlusspunkt selbst ergeben, erkennt man, dass es sich um keine leicht zu lösende Aufgabe handelt.

Frequenz- und Spannungsregelung Die Regelung der Netzfrequenz obliegt bis heute den großen konventionellen Kraftwerksblöcken. Zur Unterstützung dieser Kraftwerke müssen auch kleinere Erzeugungsanlagen unter anderem nach der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie in Ausnahmezuständen bei Überfrequenz ihre eingespeiste Leistung gemäß einer Rampe reduzieren. Damit soll ein schlagartiges Abschalten einer kritischen Anzahl an Erzeugern bei einer definierten Frequenz vermieden werden. Ein Problem, das durch die vieldiskutierte „50,2-Hz-Problematik“ hinlänglich bekannt ist. Die Mittelspannungsrichtlinie erlaubt jedoch, nach einer Überfrequenzsituation die Einspeiseleistung wieder unbegrenzt zu steigern, nachdem die Frequenz unter einen Grenzwert von 50,05 Hz zurückgekehrt ist. Technologiebedingt können PV-Wechselrichter ihre Leistung innerhalb von Millisekunden steigern. Auch hier gilt: Es sollten minimale Einregelzeiten oder Leistungsgradienten vorgegeben werden, um Wirkleistungssprünge und damit mögliche Instabilitäten und Oszillationen im Netzverbund zu vermeiden.

Gemäß der vierten Ergänzung der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie darf eine Erzeugungsanlage im Teillastbereich maximal zehn Prozent ihrer Nennleistung als Blindleistung aufnehmen beziehungsweise abgeben. Diese Regelung soll sicherstellen, dass die Erzeugungsanlage im Teillastbereich keinen ungewünscht relativen Anteil an Blindleistung liefert. Jedoch schießt die entsprechende Formulierung über das Ziel hinaus, indem sie verhindert, dass PV-Wechselrichter als Phasenschieber oder FACTS (Flexible AC Transmission Systems) eingesetzt werden können. Diese Möglichkeit erlaubt es, Wechselrichter zur Blindleistungsregulierung im Verbundnetz einzusetzen, wie es zum Beispiel in dem dieses Jahr eingeweihten Solarpark in Templin geplant ist. Gerade diese Eigenschaft könnte schon bald eine wichtige Rolle bei der Spannungsregelung in den zukünftigen Stromnetzen spielen.

Potenzial der Photovoltaik besser ausschöpfen Einer Weiterentwicklung bedarf es auch bei der Definition des sogenannten Low-voltage-ride-through-Verhaltens, also der Fähigkeit, kurzzeitige Netzspannungseinbrüche zu durchfahren. Bisher wird nur während eines dreiphasigen Netzfehlers die Einspeisung von Blindstrom zur Spannungsstützung gefordert. Richtigerweise fordert die im Entwurf vorliegende Anwendungsregel für Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz (E VDE-AR-N 4120) auch bei zweiphasigen Netzfehlern spannungsstützenden Blindstrom. Denn statistisch treten zweiphasige Netzfehler weitaus häufiger auf als dreiphasige. Da neben der stabilitätsrelevanten Notwendigkeit die Erzeugungsanlagen auch generell die technische Möglichkeit besitzen, sollte dies auch eingefordert werden.

Neben dem geforderten Blindstrom besitzen Wechselrichter während solcher Netzfehler situationsabhängig häufig noch eine Reserve für die Einspeisung von Wirkstrom. In der neuen Richtlinie sollte verankert werden, dass die Reduzierung des Wirkstroms während Netzfehlern nur bei Erreichen der technischen Grenzen erlaubt ist. Viele Erzeugungsanlagen reduzieren heute unnötigerweise ihre Wirkstromeinspeisung. So geht dem Netz Wirkleistung verloren.

Größere Diskussionen sind in Hinblick auf die Definition der Einregelzeiten für die Stromsollwerte bei Fehlereintritt und auch bei Fehlerklärung zu erwarten. Die Wechselrichter vieler Hersteller reagieren auf einen sprungartigen Einbruch der Netzspannung mit Pulssperren. Grund dafür ist meist eine interne Schutzbeschaltung, die die Ansteuerung der Leistungshalbleiter für einige Millisekunden blockiert. Der eingespeiste Strom fällt dadurch zunächst auf null ab, bevor die Stromregelung beginnt, den geforderten Strom einzuregeln. Nach Spannungswiederkehr sind sogar Pulssperren mit einer Dauer von über einer Sekunde nicht selten. Diese stromlosen Zustände sind zwar richtlinienkonform, aber generell ungünstig für das Netz. PV-Wechselrichter der neuesten Generation zeigen, dass eine unterbrechungsfreie Stromregelung ohne Pulssperren auch unter den transienten Bedingungen eines Netzfehlers möglich ist. Dieses Verhalten sollte mit entsprechenden Übergangsfristen zur Regel gemacht werden.

Bestehende Unklarheiten beseitigen Die Erzeugungsanlagen sollen nach den Anforderungen im Kapitel „Fernsteuerung“ durch den Netzbetreiber gesteuert werden können. Durch die fehlenden Angaben, auf welche Parameter in welchem Daten- und Schnittstellenformat durch die Fernsteuerung zugegriffen werden soll, wird die Nutzung von vielen der beschriebenen Systemdienstleistungen erschwert oder gar verhindert. Eine Erweiterung des Spektrums der fernsteuerbaren Größen würde den Weg zu einem flexiblen, dezentralen Energiesystem der Zukunft ebnen.

Eine Vielzahl der beschriebenen Funktionen greift in die Systemsicherheit unseres Elektroenergiesystems ein. Üblicherweise werden bei systemrelevanten Elementen in Kraftwerken Funktionsprüfungen in regelmäßigen Wartungsintervallen durchgeführt. Hierfür sollten in der neuen Richtlinie Rahmenbedingungen gesetzt werden.

In Solarkraftwerken bilden typischerweise Wechselrichterstationen eine Erzeugungseinheit, indem je nach gewünschter Leistung mehrere kleine Wechselrichter parallel geschaltet werden. Beispielsweise besteht eine Megawattstation häufig aus zwei oder mehr parallel betriebenen Zentralwechselrichtern, wohingegen bei Windkraftanlagen diese Flexibilität in der Regel nicht zu finden ist, da die Leistungsklasse der Anlage durch den Rotor vorgegeben ist. Dieser Sachverhalt findet bisher im Regelwerk zu wenig Berücksichtigung und führt immer wieder zu Verunsicherungen, da nicht eindeutig geklärt ist, welche der vielfältigen Gerätekombinationen zu prüfen sind. Das Zusammenwirken der einzelnen Erzeugungseinheiten wird im Zertifizierungsprozess bisher nur mittels Simulationsmodellen untersucht. Diese Modelle eignen sich nur bedingt für Stabilitätsaussagen, da beispielsweise viele Abschaltmechanismen der Wechselrichter nicht abgebildet sind. Besonders bei der Kombination von Erzeugungsanlagen unterschiedlicher Hersteller können zusätzliche Unsicherheiten entstehen.

Höhere Durchdringung mit Solarstrom jetzt mitdenken Zwar werden mit dem Inkrafttreten der neuen VDE-Anwendungsregel noch nicht alle Herausforderungen bei der Umstellung auf ein zukünftiges Energiesystem, das auf erneuerbaren Energien basiert, gelöst sein. Wichtig ist jedoch, dass bei der inhaltlichen Gestaltung zukünftiger Richtlinien stets von einem Elektroenergiesystem, das (zumindest zeitweise) zu 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen gespeist wird, ausgegangen werden muss. Dafür werden die Solaranlagen dann noch mehr netzdienliche Funktionen erfüllen müssen, über die in Expertenkreisen bereits diskutiert wird. Zielführend und entscheidend für den Erfolg der neuen VDE-Anwendungsregel wird auch sein, in welchem Maße sich Vertreter der Netzbetreiber, die den Wandel von einer zentralen zu einer dezentralen Energieerzeugung nicht nur erkannt, sondern auch akzeptiert haben, aktiv an der Gestaltung beteiligen. Die Vergangenheit lehrt uns, dass der Ausbau der Erneuerbaren und die Entwicklung auf dem Gebiet der Leistungselektronik häufig schneller voranschreiten, als der Richtlinienprozess reagieren kann. Nur mit dem nötigen Weitblick gelingt es, die richtigen Strategien für die Zukunft zu entwerfen, die dann – so wie bei der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie – auch internationale Nachahmung finden können.

Weitere Informationen: Richtlinien für Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz: http://www.vde.com/de/fnn/arbeitsgebiete/tab/seiten/ae-ms.aspx BDEW: www.bdew.de FNN/VDE: www.vde.com/fnn FGW-Richtlinien: www.wind-fgw.de ENTSO-E Network Code for Requirements for Grid Connection Applicable to all Generators: www.entsoe.eu

Die Autoren
Sönke Rogallaleitet am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg die Gruppe Zentralwechselrichter und Solarkraftwerke. Er erforscht dort das elektrische Verhalten von Wechselrichtern am Netz und betreibt ein Leistungselektroniklabor, in dem Hersteller Zentralwechselrichter bis zu einer Leistung von einem Megawatt für die BDEW-Richtlinie fit machen können.
Gregor Dötterleitet am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg das Team Netzverhalten von PV-Kraftwerken und ist Projektleiter in einem Forschungsprojekt zur Untersuchung des Verhaltens parallel betriebener Wechselrichter während Netzfehlern. Im Rahmen des Projekts wird die dynamische Netzstützung unter anderem durch Feldversuche erforscht.