Erneuerbare-Energien-Anlagen wie Photovoltaik müssen sich mehr an der Frequenzhaltung bei Über- oder Unterfrequenz beteiligen.
20.09.2011 5516 0

Verhalten bei Über-/Unterfrequenz

Damit die Netz- und Systemstabilität bei Über-/Unterfrequenz sichergestellt werden kann, müssen bestimmte am Stromnetz betriebene Anlagen ein definiertes Verhalten bei Über-/Unterfrequenz aufweisen.

Für einen stabilen Betrieb des Stromversorgungssystems muss die eingespeiste Leistung unter Berücksichtigung der Import-/Exportbilanz zu jedem Zeitpunkt dem Stromverbrauch im Netz entsprechen.

Bei Abweichungen zwischen Erzeugung und Verbrauch kommt es zu einer Erhöhung bzw. Verringerung der Frequenz (Überfrequenz bzw. Unterfrequenz).

Ist die erzeugte Leistung > verbrauchte Leistung => Überfrequenz

Ist die erzeugte Leistung < verbrauchte Leistung => Unterfrequenz.

Im Rahmen der für den stabilen Systembetrieb unabdingbaren Systemdienstleistung „Frequenzhaltung“ wird dem entsprechend entgegen gewirkt. Hierzu zählt u.a. das automatische Reagieren von Erzeugungsanlagen oder Verbrauchsanlagen auf auftretende Frequenzabweichungen von der Sollfrequenz 50 Hz.

Demzufolge werden Überfrequenz entsprechende Erzeugungsanlagen geeignet in der Leistungsabgabe reduziert bzw. entsprechende Verbrauchsanlagen geeignet in ihrer Leistung angehoben.

Bei Unterfrequenz werden entsprechende Erzeugungsanlagen geeignet in der Leistungsabgabe angehoben bzw. entsprechende Verbrauchsanlagen geeignet in ihrer Leistung reduziert.

Zielgruppen

  • Hersteller 
  • Anlagenbetreiber
  • Netzbetreiber

Betrachtung von Sonderfällen

Verhalten bei Überfrequenz 50,2 Hz und Unterfrequenz 49,5 Hz

Die älteren technischen Richtlinien forderten von Erzeugungsanlagen bei Erreichen und Überschreiten einer Netzfrequenz von 50,2 Hz bzw. einer Unterschreitung der Netzfrequenz von 49,5 Hz eine unverzügliche Trennung vom Stromnetz. Dieses Verhalten hat mit dem immensen Zubau an Erneuerbaren Energien zunehmend Systemrelevanz.

Die älteren technischen Richtlinien forderten von Erzeugungsanlagen bei Erreichen und Überschreiten einer Netzfrequenz von 50,2 Hz bzw. einer Unterschreitung der Netzfrequenz von 49,5 Hz eine unverzügliche Trennung vom Stromnetz. Dieses Verhalten hat mit dem immensen Zubau an Erneuerbaren Energien zunehmend Systemrelevanz.

FNN-Aktivitäten 

Das Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) hat 2011 bereits in der VDE-Anwendungsregel "Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“ (VDE-AR-N 4105) das 50,2 Hz-Problem für Neu-Anlagen berücksichtigt. Die VDE-AR-N 4105 sieht für PV-Anlagen und alle weiteren regelbaren Erzeugungsanlagen für Frequenzen zwischen 50,2 Hz und 51,5 Hz ein sogenanntes Kennlinienverfahren zur Wirkleistungssteuerung vor. Dabei wird die momentan erzeugte Wirkleistung unter Berücksichtigung eines Gradienten von 40 % bei einem Frequenzanstieg gesenkt bzw. bei einem Frequenzabfall gesteigert.

Nicht regelbare Erzeugungsanlagen dürfen sich alternativ zum Kennlinienverfahren innerhalb des oben genannten Frequenzbereiches vom Netz trennen. In diesem Fall stellen die Hersteller eine Gleichverteilung der Abschaltfrequenz in maximal 0,1 Hz-Schritten für jeden Anlagentyp sicher. Zudem beschreibt die VDE-AR-N 4105 verbesserte Zuschalt- und Wiederzuschaltverfahren.

Bestandsanlagen & SysStabV

Die installierte Leistung von dezentralen Erzeugungsanlagen war durch den rasanten Zubau schon vor der Veröffentlichung der angepassten technischen Richtlinien systemkritisch. Um die von den Bestandsanlagen ausgehende Gefährdung der Systemstabilität abzuwenden, trat am 26.07.2012 die Systemstabilitätsverordnung (SysStabV) in Kraft. Die SysStabV regelt die Nachrüstung von Anlagen zur Erzeugung von Strom aus solarer Strahlungsenergie (PV-Anlagen) mit einer installierten Leistung von mehr als 10 kW, um einen Wegfall systemrelevanter Einspeiseleistung bei Überschreiten der Netzfrequenz von 50,2 Hz zu verhindern.

Am 14. März 2015 trat eine geänderte Systemstabilitätsverordnung (SysStabV) in Kraft. Diese regelt die Nachrüstung von Windenergieanlagen, Biomasse- und Biogasanlagen, KWK-Anlagen und Wasserkraftanlagen, damit

ein Wegfall systemrelevanter Einspeiseleistung bei Unterschreiten der Netzfrequenz von 49,5 Hertz (Hz) (sogenanntes 49,5-Hz-Problem) verhindert wird.

Hintergrund

Die für die Systemstabilität des europäischen Verbundnetzes maßgebliche Größe ist die Netzfrequenz von 50 Hz. Kleine Schwankungen um diesen Wert sind normal und unproblematisch. Kritisch wird es nur, wenn ein großes Ungleichgewicht zwischen Energieerzeugung und Energieverbrauch herrscht. In diesem Fall liegt die Netzfrequenz deutlich über oder unter dem Nennwert von 50 Hz.

Die älteren technischen Richtlinien forderten bei Erreichen und Überschreiten einer Netzfrequenz von 50,2 Hz eine unverzügliche Trennung der Anlagen vom Stromnetz. Zu Zeiten starker regenerativer Stromeinspeisung schalten sich so im Extremfall mehrere Gigawatt an Leistung abrupt ab. Der auftretende Leistungssprung kann die europaweit vorgehaltene Primärregelleistung soweit übersteigen, dass die Leistungsfrequenzregelung die Netzfrequenz nicht mehr stabilisieren kann. Die Folge davon wären weiträumige Stromausfälle.

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).

Zudem wurde in älteren technischen Richtlinien gefordert, dass sich bei einer Unterfrequenz von 49,5 Hz Windenergie-, Biomasse-, Kraft-Wärme-Kopplungs- und Wasserkraftanlagen automatisch vom Netz trennen sollten.

50,2 Hz-Studie

Studie zur "50,2-Hz-Abschaltung von PV-Anlagen am Niederspannungsnetz"

Eine Vielzahl älterer Photovoltaikanlagen genügt nicht mehr den aktuellen Standards zur Frequenzhaltung im deutschen Stromnetz (so genanntes "50,2 Hz-Problem"). Eine Studie identifiziert Nachrüstmöglichkeiten.

Studie zur "50,2-Hz-Abschaltung von PV-Anlagen am Niederspannungsnetz"

Eine Vielzahl älterer Photovoltaikanlagen genügt nicht mehr den aktuellen Standards zur Frequenzhaltung im deutschen Stromnetz (so genanntes "50,2 Hz-Problem"). Eine Studie identifiziert Nachrüstmöglichkeiten.

Das Wichtigste in Kürze

  • technische Nachrüstung von PV-Bestandsanlagen nötig, um die Stabilität des deutschen und europäischen Stromnetzes nicht zu gefährden 
  • Studie rechnet mit 315.000 umzurüstenden PV-Anlagen in Deutschland 
  • Geschätzter Umstellungszeitraum: drei bis vier Jahre 
  • PV-Anlagen kleinerer Leistung (in der Regel Privathaushalte und Hausbesitzer) nicht betroffen

Hintergrund

Die stetig wachsende Zahl installierter dezentraler Stromerzeugeranlagen stellt neue Herausforderungen an die Netz- und Systemsicherheit. Ein konkretes Problem ist die Frequenzhaltung: wird eine Überfrequenz von 50,2 Hz oder mehr erreicht, so schaltet eine Erzeugungsanlage mit Anschluss am Niederspannungsnetz bisher automatisch ab. Da mittlerweile bereits rund 20 GW Leistung allein im Bereich Photovoltaik in Deutschland installiert sind, könnte eine solche plötzliche Trennung die Systemstabilität ernsthaft stören. Für neue Erzeugungsanlagen existiert mit der VDE-AR-N 4105 eine technische Vorschrift, mit der eine verbesserte Integration von Erzeugungsleistung möglich wird. Für Altanlagen müssen dagegen zunächst grundsätzliche Aspekte von Nachrüstungsmaßnahmen geklärt werden. Das war das Ziel einer gemeinsamen Studie von Übertragungsnetzbetreibern, dem Bundesverband Solarwirtschaft und dem VDE|FNN unter dem Dach der BMWi-Netzplattform mit Bundeswirtschaftsministerium, Bundesumweltministerium und Bundesnetzagentur.

Studienergebnis

Das Kernergebnis der Studie besagt, dass rund 315.000 mittlere bis große Photovoltaikanlagen mit Anschluss am Niederspannungsnetz zwischen 2012 und 2014 technisch umgerüstet werden sollten. Die Nachrüstung wird für alle nach dem 1.9.2005 in Betrieb genommenen Photovoltaikanlagen mit einer installierten Leistung von mehr als 10 kWp empfohlen (d.h. kleinere Aufdachanlagen auf Einfamilienhäusern wären bspw. von der Nachrüstung ausgenommen).

Die Empfehlung der Studie sieht unter Berücksichtigung der genauen technischen Gegebenheiten bzw. Umsetzungsmöglichkeiten und mit der Zielstellung, Umfang und Kosten einer Nachrüstung möglichst gering zu halten, grundsätzlich eine bei einer Überfrequenz von 50,2 Hz einsetzende frequenzabhängige Reduktion der in das Netz einspeisenden Wirkleistung vor, solange bis eine Frequenz von 51,5 Hz erreicht ist. Bei 51,5 Hz erfolgt die Trennung der am Netz befindlichen Erzeugungsanlagen. Die Ausgestaltung soll über folgende Teillösungen erfolgen:

  • Anforderung der VDE-AR-N 4105 (verbesserte Kennlinienstatik zwischen 50,2 Hz und 51,5 Hz; Wiederzuschaltfrequenz: 50,05 Hz) 
  • Anforderung der technischen Richtlinie "Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz", BDEW, Juni 2008 (Kennlinienstatik zwischen 50,2 Hz und 51,5 Hz, Wiederzuschaltfrequenz: 50,05 Hz) 
  • Anforderung des FNN-Hinweises "Übergangsregelung zur frequenzabhängigen Wirkleistungssteuerung von PV-Anlagen am NS-Netz", Verfahren a).

Dabei handelt es sich in den weit überwiegenden Fällen um einen Software-Update oder um eine Änderung von Parametereinstellungen im Wechselrichter. Die konkrete Ausgestaltung von "Lösung 3" erfordert die Berücksichtigung von Anforderungen an einen sicheren und zuverlässigen Verteilnetzbetrieb, insbesondere im Fall eines Netzersatzanlagenbetriebs.

Die zu entwickelnden Maßnahmen sind eine Voraussetzung für den weiterhin sicheren Betrieb des europäischen Verbundsystems. Sie sind außerdem notwendig, um das Elektrizitätssystem mit Blick auf die von der Bundesregierung formulierten Ziele für den Ausbau der Erneuerbaren Energien umzubauen.

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