Hintergrund
Der Ausbau von dezentralen Erzeugungsanlagen hat in den letzten Jahren, nicht zuletzt durch die Förderung über das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), stark zugenommen. Neben der Windenergie ist insbesondere die installierte Leistung von Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) stark angestiegen. Am Ende des Jahres 2010 wird die installierte Leistung in Deutschland voraussichtlich 15 GW überstiegen haben, wovon ein nicht unwesentlicher Anteil an das Niederspannungsnetz angeschlossen ist. Auch künftig ist mit einem weiteren Anstieg zu rechnen.
Durch diesen Zubau kommt den Erzeugungsanlagen am Verteilnetz eine zunehmende Systemrelevanz zu. Während die technische Richtlinie "Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz" (BDEW, Juni 2008 einschließlich Ergänzung) bereits erste systemtechnische Erfordernisse (z.B. dynamische Netzstützung, Frequenzstützung bzw. frequenzabhängige Leistungsreduktion) berücksichtigt, tragen die aktuell noch gültigen technischen Richtlinien und Normen für Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz dieser Entwicklung nicht ausreichend Rechnung.
Beispielsweise wird nach aktuellem Regelwerk für Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz bei Erreichen und Überschreiten einer Netzfrequenz von 50,2 Hz eine unverzügliche Abschaltung gefordert.
Damit ergeben sich Risiken für den Netzbetrieb. Wird die Netzfrequenz von 50,2 Hz zu einem Zeitpunkt mit hoher dezentraler Einspeisung überschritten, schalten sich im Extremfall mehrere Gigawatt an Leistung ab. Der entsprechende Leistungssprung kann signifikant höher sein als die europaweit vorgehaltene Primärregelleistung, so dass die Leistungsfrequenzregelung die Netzfrequenz nicht mehr stabilisieren kann. Zudem kann ein näherungsweise zeitgleiches Wiederzuschalten der dezentralen Erzeugungsanlagen bei einer Frequenzerholung zu einem erneuten Überschreiten der Frequenz von 50,2 Hz und damit zu einem erneuten Abschalten der Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz führen ("Jo-Jo"-Effekt).
Laufende Aktivitäten
Übergangsregelung für PV-Anlagen (ab 01.04.2011 bis Inkrafttreten der VDE-AR-N 4105)
Um systemkritische Zustände vermeiden zu helfen, hat VDE FNN eine Übergangsregelung in Form eines technischen Hinweises erarbeitet, die eine einfache und schnell realisierbare Lösungsmöglichkeit einer frequenzabhängigen Wirkleistungssteuerung bei Überfrequenz einschließlich Wiederzuschaltverfahren beschreibt.
Dieser technische Hinweis referenziert zum einen auf das Verfahren nach BDEW-MS-Richtlinie (Kennlinienstatik) und sieht zum anderen als einfach zu realisierende Lösung eine Überfrequenzabschaltung auf fest eingestellten Werten zwischen 50,3 Hz und 51,5 Hz in 0,1-Hz-Schriten mit Gleichverteilung (Stufenlösung) vor. Mit den formulierten Wiederzuschaltkriterien sind im Netzersatzanlagenbetrieb ggf. nur die PV-Anlagen am Teilnetz und können damit ggf. zu einer Rückspeisung führen, die nach Stufenlösung betrieben werden.
Der FNN-Hinweis stellt eine Empfehlung dar. Hersteller von Solarwechselrichtern haben bereits angekündigt, dass sie freiwillig ihre Produkte ab Mai 2011 gemäß dieser Übergangsregelung herstellen. Nach Angaben des BSW-Solar haben derzeit bereits mehr als zehn Solarwechselrichter-Hersteller (entspricht über 90% Marktanteil in Deutschland) ihre Produktion umgestellt.
Neuanlagen: Anforderungen an Erzeugungsanlagen gemäß VDE-AR-N 4105
Derzeit werden im Rahmen der Erarbeitung der VDE-Anwendungsregel VDE-AR-N 4105 die Anforderungen an die Wirkleistungseinspeisung bei Überfrequenz formuliert.
Die künftige VDE-AR-N 4105 sieht für PV-Anlagen und alle weiteren regelbaren Erzeugungsanlagen für Frequenzen zwischen 50,2 Hz und 51,5 Hz ein weiter verbessertes Kennlinienverfahren zur Wirkleistungssteuerung vor (nicht regelbare Erzeugungsanlagen am NS-Netz, wie bspw. Lineargeneratoren, können nach Stufenlösung betrieben werden). Zudem beschreibt die VDE-AR-N 4105 weiter verbesserte Zuschalt- bzw. Wiederzuschaltverfahren.
Für PV-Anlagen und alle weiteren regelbaren Erzeugungsanlagen soll gelten:
Diese sollen künftig in dem Frequenzbereich zwischen 50,2 Hz und 51,5 Hz die momentan erzeugte Wirkleistung PM (zum Zeitpunkt der Überschreitung der Netzfrequenz 50,2 Hz; Einfrieren des Wertes) mit einem Gradienten von 40 % von PM je Hertz absenken (bei Frequenzanstieg) bzw. steigern (bei Frequenzreduzierung). Daraus folgt, dass sich die Erzeugungseinheit in dem Frequenzbereich zwischen 50,2 Hz und 51,5 Hz hinsichtlich ihrer Wirkleistungs-Einspeisung permanent auf der Frequenz-Kennlinie auf- und abbewegt ("Fahren auf der Kennlinie"). Unterschreitet die Netzfrequenz den Wert 50,2 Hz wieder und ist die mögliche Erzeugungsleistung zu diesem Zeitpunkt größer als die Wirkleistung PM (eingefrorener Wert, siehe oben), darf der Anstieg der an das Netz des Netzbetreibers abgegebenen Wirkleistung einen Gradienten von 10 % der maximalen Wirkleistung der Erzeugungsanlage pro Minute nicht überschreiten.
Bei Netzfrequenzen > 51,5 Hz muss sich die Erzeugungsanlage sofort vom Netz trennen (Schutz-Abschaltung).
Die Zu- bzw. Wiederzuschaltung der Erzeugungsanlage an das Netz des Netzbetreibers darf nur dann erfolgen, wenn durch eine geeignete Einrichtung festgestellt wird, dass sich sowohl die Netzspannung innerhalb des Toleranzbereiches von 85 % bis 110 % Un als auch die Netzfrequenz innerhalb des Toleranzbereiches von 47,5 Hz bis 50,05 Hz für eine Dauer von mindestens 60 Sekunden befinden.
Im Falle der Wiederzuschaltung der Erzeugungsanlage an das Netz des Netzbetreibers bei Auslösung der Entkupplungsschutzeinrichtung (z.B. Überfrequenzauslösung) darf die an das Netz des Netzbetreibers abgegebene Wirkleistung erst nach 10 Minuten die maximale Wirkleistung der Erzeugungsanlage erreichen (bei PV-Anlagen ist dies durch einen Leistungsgradienten von 10% der maximalen Wirkleistung der Erzeugungsanlage pro Minute zu realisieren).
Neuanlagen: Anforderungen an Netzersatzanlagen und an den Netzbetrieb (Niederspannung)
Für Betreiber von Niederspannungsnetzen ist es für gewisse Arbeiten im Netz erforderlich, Teilnetze vom übrigen Netz abzutrennen (z. B. Austausch eines Ortsnetztransformators). Um die Kunden auch während dieser Zeit sicher und zuverlässig mit elektrischer Energie versorgen zu können, kann der Netzbetreiber Netzersatzanlagen einsetzen. Ein stabiler Betrieb der Netzersatzanlage sowie die Einhaltung einer ausreichenden Versorgungsqualität (z.B. DIN EN 50160) sind dann sicher zu stellen. Um dies zu erreichen, müssen die Erzeugungsanlagen in einem derartigen Betriebsfall ausgeschaltet werden und bleiben. Hierzu wird die Netzersatzanlage parallel zum Niederspannungsnetz geschaltet und hochgefahren. Anschließend wird der Ortsnetztransformator abgeschaltet und die Netzersatzanlage übernimmt die Versorgung der "Netzinsel". Bei Leistungsüberschuss im Niederspannungsnetz muss die Netzersatzanlage die überschüssige Leistung temporär "abfangen" können. Die Netzersatzanlage ist daher kurzzeitig auf 52,0 Hz einzustellen, damit sich alle Erzeugungsanlagen sicher vom Netz trennen. Der Übergang zur "Betriebsfrequenz" der Netzersatzanlage von 50,5 bis 51,0 Hz erfolgt im Sekundenbereich (ca. 10 s).
Zur unterbrechungsfreien Versorgung des Netzes - insbesondere im Augenblick der Zuschaltung der Netzersatzanlage bei Leistungsüberschuss im Niederspannungsnetz - ist der Einsatz von kurzzeitig rückleistungsfähigen Netzersatzanlagen zu empfehlen. Zudem ist sicherzustellen, dass die Netzersatzanlage kurzzeitig mit einer Frequenz oberhalb von 51,5 Hz betrieben werden kann, um die Erzeugungsanlagen abzuschalten.
Zur Information und weiterführenden Klärung noch offener Fragen (z.B. zum künftigen Netzersatzanlagenbetrieb), insbesondere mit Blick auf die Regelungen der künftigen VDE-AR-N 4105, sind die Branchenverbände BDEW, ZVEI und VDMA angeschrieben und um Unterstützung gebeten.
Bestandsanlagen
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) hat diese Thematik auf einer Sitzung der AG Systemstabilität im Rahmen der Plattform "Zukunftsfähige Netze und Systemsicherheit" am 19. Januar 2011 erörtert. Es besteht Einigkeit, dass die Situation bereits mit der vorhandenen installierten PV-Erzeugungsleistung der Bestandsanlagen kritisch werden kann. Um hierzu nähere Informationen und Erkenntnisse zu erhalten und ggf. erforderliche Maßnahmen ableiten zu können, wird eine Studie zum Verhalten der Bestandsanlagen geplant. VDE/FNN wird sich neben dem BMWi, dem BMU und den vier deutschen Übertragungsnetzbetreibern an der Studie beteiligen. Auf Initiative von FNN werden dabei ausdrücklich auch die Auswirkungen hinsichtlich des Verteilnetzbetriebes betrachtet. Ergebnisse der Studie sollen bis Juni 2011 vorliegen.