GODA - Netzoptimierung mit dezentralen Aktoren

Die Leistung einer PV-Anlagen zu limitieren entlastet die Netze, führt aber kaum zu Energieertragsverlust. Die P(U)-Regelung von Wechselrichtern wurde in einem Feldversuch erprobt und im Labor auf Zuverlässigkeit und Stabilität analysiert.

Steckbrief

  • Lead-Departement Technik und Informatik
  • Institut Institut für Energie- und Mobilitätsforschung IEM
  • Forschungseinheit IEM / Photovoltaiksysteme
  • Förderorganisation Schweizerische Eidgenossenschaft (Bundesverwaltung)
  • Laufzeit (geplant) 01.11.2021 - 01.07.2023
  • Projektverantwortung Prof. Dr. Christof Bucher
  • Projektleitung David Joss
  • Projektmitarbeitende Peter Wüthrich
    Luciano Borgna
    Marco Pascal Zaugg
  • Partner Bundesamt für Energie BFE
    Groupe E SA
  • Schlüsselwörter Wirkleistungsregelung; Netzanschluss von Photovoltaikanlagen; P(U); SmartGrid; Netzstabilität; Netzintegration; erneuerbare Energien; dezentraler Anschluss von EEA

Ausgangslage

Die Mehrzahl heute erhältlicher PV-Wechselrichter haben die spannungsabhängige Wirkleistungsregelung – kurz P(U) – standardmässig als aktivierbare Funktion integriert. Doch die dezentrale Regelmethode wird insbesondere in der Netzplanung noch kaum eingesetzt oder berücksichtigt, obschon sie gegenüber der Netzverstärkung oder der statischen Wirkleistungsbegrenzung erhebliche Vorteile bietet. Die Groupe E SA will deshalb dezentrale Photovoltaik-Wechselrichter so konfigurieren, dass sie bei zu hohen Netzspannungen selbständig und kontrolliert ihre Leistung reduzieren. Auf Basis von Smart-Meter-Daten soll dies überwacht und die Solarstromproduzent*innen entschädigt werden. Gelingt das Projektvorhaben, könnten künftige Investitionen in die Netzverstärkung für dezentrale Energieerzeugungsanlagen optimiert und potenziell um Jahre verschoben werden.

Die Berner Fachhochschule prüft exemplarisch Wechselrichter im PV-Labor bezüglich der Stabilität der P(U)-Regelung.
Die Berner Fachhochschule prüft exemplarisch Wechselrichter im PV-Labor bezüglich der Stabilität der P(U)-Regelung.

Vorgehen

Im Rahmen des Projektes GODA wurde durch die Groupe E SA in einem Feldversuch die Nutzung von P(U) im Verteilnetz an ausgewählten PV-Anlagen getestet. Dafür wurden die Wechselrichter in zwei Perioden mit unterschiedlichen Kennlinien für die spannungsabhängige Wirkleistungsregelung parametriert. Die erfassten Produktionsmessdaten dienten unter Verwendung von maschinellem Lernen für die Schätzung der vermiedenen Einspeisung. Im Labor für Photovoltaiksysteme der BFH wurden an Wechselrichter Messungen zur Zuverlässigkeit und Stabilität der P(U)-Regelung durchgeführt. Unter Variation möglicher Parameter wie beispielsweise der Steilheit der P(U)-Kennlinie oder Zeitkonstanten für Sollwertfilter sollten die Grenzen der Systeme ausgelotet werden. Von grossem Interesse war, ob sich einzelne Wechselrichter anders verhalten als eine Gruppe von Wechselrichtern am selben Verknüpfungspunkt.

Untersuchte Wechselrichter mit den variablen DC- und AC-Simulatoren
Untersuchte Wechselrichter (vorne) mit den variablen DC- und AC-Simulatoren

Ergebnisse

Die spannungsabhängige Wirkleistungsregelung P(U) konnte an PV-Anlagen im Feld erfolgreich eingestellt und getestet werden. Die Wechselrichter zeigten bei zu hoher Netzspannung die gewünschte Reduktion der Wirkleistung. Mittels selbstlernender Algorithmen, welche die Produktionsdaten der Smart Meter auswerteten, konnten die Produktionsverluste berechnet und die Produzent*innen vergütet werden. Die Messungen im Labor zeigten bei typischen Einstellungen der Regelparameter ein stabiles Verhalten der Wechselrichter – sowohl einzeln als auch in Gruppen. Es konnten jedoch grosse Unterschiede im Regelverhalten der einzelnen Geräte beobachtet werden, was überwiegend auf die Messtoleranzen der internen Spannungsmessung zurückzuführen ist. In einigen Messsituationen konnten erhebliche, temporäre Leistungsschwankungen und geringfügige gegenseitige Beeinflussung der Wechselrichter beobachtet werden. Mit dem Projekt GODA kann somit demonstriert werden, dass die spannungsabhängige Wirkleistungsregelung P(U) bei sinnvollen Einstellungen der Wechselrichter grundsätzlich zuverlässig und stabil funktioniert.

P(U)-Regelverhalten von 3 Wechselrichtern bei variierender Einstrahlung
P(U)-Regelverhalten von 3 Wechselrichtern bei variierender Einstrahlung

Ausblick

Die Groupe E SA führt in einer Pilotphase die Nutzung von P(U) als netzstützende Massnahme im Gebiet des Feldversuches weiter. Dabei wird der Ansatz verfolgt, das Spannungsband maximal auszunutzen und die Leistungslimitierung der flexiblen PV-Anlagen bei der Annäherung an den oberen Grenzwert für die Netzspannung bei 110% zu aktivieren. Im Labor für Photovoltaiksysteme der BFH wird im Zuge der Normenentwicklung (IEC 63409-Serie) künftig an geeigneten Prüfmustern für P(U) gearbeitet. Das Ziel ist es, möglichst verbindliche Vorgaben für die Umsetzung von P(U) zu spezifizieren, die international akzeptiert werden und die den Verteilnetzbetreibern Klarheit über die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Regelgrössen geben, sodass sich die spannungsabhängige Wirkleistungsregelung als verlässlich Massnahme zur Spannungshaltung etablieren kann.

Dieses Projekt leistet einen Beitrag zu den folgenden SDGs

  • 7: Bezahlbare und saubere Energie
  • 12: Verantwortungsvoller Konsum und Produktion
  • 13: Massnahmen zum Klimaschutz