Systemanforderungen

Die Momentanreserve ist eine systeminhärente Fähigkeit von netzbildenden Anlagen, die unverzögert in Erscheinung tritt, wenn das Gleichgewicht aus Last und Erzeugung im System gestört wird. 

Momentanreserve besteht aus zwei wesentlichen Komponenten: 

• Instantane Momentanreserve (instantaner Ausgleich der Störung durch Leistungsreserve) 
• Momentanreserve (Trägheit zur Begrenzung der Frequenzänderung)

Nach Eintritt einer Störung (z. B. der Trennung einer Erzeugungsanlage) verteilt sich diese über das System auf alle übrigen Erzeugungsanlagen. Netzbildende Anlagen (wie Synchrongeneratoren oder Anlagen mit netzbildenden Umrichtern) reagieren instantan auf diese Störung. An diesen springt die eingespeiste Leistung quasi instantan, sodass die Störleistung in Summe kompensiert wird. Die eingespeiste Leistung, die entsprechend der Störleistung reduziert oder erhöht sein kann, kommt aber nicht aus der Erzeugung der Anlage, sondern aus der Energie ihrer realen oder synthetischen Schwungmasse. Die Drehzahl bzw. Frequenz der netzbildenden Anlage nimmt durch eine zusätzliche Leistungsabgabe ab und durch eine reduzierte Leistungsabgabe zu, aber die Frequenz springt nicht (Trägheit). Das heißt der Gradient der Frequenz wird proportional zur Schwungmasse reduziert. 

Ohne zusätzliche Maßnahmen, würde die Frequenz aber alleine mit der Wirkung der Momentanreserve weiter fallen. Für kleine Störungen bis ca. 3 GW im europäischen Verbundnetz kann dies die marktbasierte Primärregelung verhindern. Sie dient der Frequenzhaltung und ist darauf ausgelegt, die Frequenz im quasistationären Betrieb innerhalb der definierten Grenzen 50 Hz ± 200 mHz zu halten. Nach kurzer Zeit reagiert diese auf die Störung und die Anlagen erhöhen oder reduzieren ihre erzeugte Leistung. Dadurch wird die Drehzahl der netzbildenden Anlagen stabilisiert und bleibt im festgelegten Betriebsbereich. Sinkt die Frequenz allerdings aufgrund größerer Störereignisse zu schnell kann die marktliche Primärregelung sie nicht rechtzeitig wieder stabilisieren. 

Spätestens dann müssen sich alle Anlagen im System im Rahmen der Frequenzregelung an der Behebung der Störung beteiligen, und zwar mit systemstützenden Eigenschaften, welche derzeit in den Technischen Anschlussregeln des VDE FNN etabliert werden. 

Wo werden die Fähigkeiten eingeführt?

*MinAnf: Mindestanforderung

**VDE FNN Hinweis „Technische Anforderungen an Netzbildende Eigenschaften inklusive der Bereitstellung von Momentanreserve“

Zu den systemstützenden Eigenschaften gehört die netzsicherheitsbasierte Primärregelung für Erzeugungsanlagen, Speicher und kontinuierlich regelbare Lasten. Sie ist die nationale Umsetzung des LFSM-O/U Betriebs, welche laut Connection Code Requirements for Generators (RfG) gefordert wird. Die netzsicherheitsbasierte Primärregelung ersetzt das „Fahren auf der Kennlinie“ im Über- und Unterfrequenzbereich. 

Bei der netzsicherheitsbasierten Primärregelung handelt es sich wie der Name bereits verspricht um eine Primärregelung, die beim Überschreiten bzw. Unterschreiten des Frequenzbandes von 50 Hz ± 200 mHz aktiviert wird mit dem Ziel den Gradienten der Frequenz auf Null auszuregeln. Sie unterscheidet sich ganz wesentlich von der bisher in den TAR etablierten P(f)-Regelung („Fahren auf der Kennlinie“). Bei der Netzsicherheitsbasierten Primärregelung werden nämlich anders als bisher die Wirkleistungsstellgeschwindigkeiten der Erzeugungsanlagen auf eine definierte Schwungmasse abgestimmt. Bei konventionellen Kraftwerken und Anlagen mit netzbildenden Umrichtern handelt es sich hierbei um die eigene Schwungmasse. Netzfolgende umrichterbasierte Anlagen bringen selbst keine eigene Schwungmasse mit. Vielmehr benötigen sie für einen stabilen Betrieb die Schwungmasse des Systems – also jene anderer netzbildender Anlagen - auf welche die Netzsicherheitsbasierte Primärregelung abgestimmt werden muss. 

Betrachtet man hierbei den geschlossenen Regelkreis aus der Frequenzleistungsregelung und der Schwungmasse, ergibt sich bei korrekter Auslegung für Kleinsignal- und Großsignalstörungen ein in sich stabiles System. In dieser Kombination weist die Anlage somit die Eigenschaft der Eigenstabilität (hinsichtlich der Frequenz bzw. des Wirkleistungsverhaltens) auf. Das bedeutet, dass die Anlage für gewisse Störungen in der Lage ist sich selbst zu stabilisieren hinsichtlich der Spannungs- und Frequenzgrenzen, die für sie gelten. Auch die Summe solcher Systeme ist dann insgesamt stabil, was eine wesentliche Grundlage darstellt für das Beherrschen von großen Störereignissen, wie beispielsweise dem System Split, im deutschen Verbundsystem. Benötigt eine netzbildende Anlage mit einer großen realen oder virtuellen Schwungmasse aufgrund ihres schnellen Regelvermögens lediglich einen kleinen Teil dieser für ihre Eigenstabilität, so kann sie den übrigen Teil ihrer Schwungmasse den netzfolgenden Anlagen im System zur Verfügung stellen, damit diese stabil betrieben werden können. 

Auch das frequenzgesteuerte Ab- und Zuschalten von Bezugsanlagen wie Wärmepumpen und unidirektionale Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge gehört zu den systemstützenden Eigenschaften. Kann die Primärregelreserve und die Netzsicherheitsbasierte Primärregelung das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Last nicht schnell genug wieder herstellen, fällt die Netzfrequenz zu stark ab und gelangt außerhalb der festgelegten Betriebsgrenzen. Im Falle einer Lastunterdeckung, kann die Frequenz daraufhin den Grenzwert von 49,0 Hz unterschreiten. In solchen Fällen, kam bisher als sogenannte Letztmaßnahme des Systemschutzplans der automatische unterfrequenzabhängige Lastabwurf (UFLA) zum Einsatz. Hierbei kommt es zum Abwurf eines oder mehrerer Versorgungsgebiete auf Verteilnetzebene, wodurch der Leistungsbezug großflächig reduziert werden konnte. Aufgrund der hohen Durchdringung von EE-Anlagen im Verteilnetz, werden diese EE-Anlagen zukünftig aber dadurch ebenfalls vom Netz getrennt und ihre wertvollen Fähigkeiten gehen für die Stützung des Systems während der Störung wie auch für die Wiederherstellung des Normalbetriebs verloren. 

Eine selektive und diskriminierungsfreie Abschaltung von Lasten wird demnach durch die UFLA zukünftig nicht mehr in allen Netznutzungsfällen möglich sein. Die UFLA bleibt aber eine essenzielle Maßnahme des Systemschutzplans. Ihre Wirkung soll deshalb erhalten werden über die Festlegung einer frequenzgesteuerten Ab- und Zuschaltung in den Technischen Anschlussregeln für nicht kontinuierlich regelbare Bezugsanlagen (bspw. Wärmepumpen und Ladeeinrichtungen), da diese zukünftig einen großen Einfluss auf die Systemstabilität haben werden. 

Wo werden die Fähigkeiten eingeführt?

*MinAnf: Mindestanforderung

Das Auftreten eines Störereignisses, konkret einer großen Störung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Last, wird aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Stromversorgungssystems begleitet von einer Änderung der Netzfrequenz mit einer entsprechenden Frequenzänderungsgeschwindigkeit (RoCoF: Rate of Change of Frequency). Damit Kundenanlagen dem System während und nach solchen Situationen ihre essenziellen systemstützenden Eigenschaften zur Verfügung stellen können, müssen diese dafür ausgelegt sein, das Auftreten bestimmter Frequenzänderungsgeschwindigkeiten zu überstehen und am Netz zu bleiben.

Wo werden die Fähigkeiten eingeführt?

*MinAnf: Mindestanforderung 

Netzbildende Eigenschaften setzen die Grundvoraussetzung für den Betrieb nicht netzbildender Anlagen (umrichterbasierte Typ-2-Anlagen), die heute Stand der Technik sind. Aufgrund des im Rahmen der Energiewende stark sinkenden Anteils netzbildender Typ-1-Anlagen (Synchronmaschinen in Großkraftwerken), müssen zukünftig auch Typ-2-Anlagen – insbesondere Erneuerbare-Energien-Anlagen und Speicher – netzbildend werden. Eine Herausforderung stellt dabei insbesondere die Übergangszeit dar, in der ein geringer Anteil netzbildender Anlagen auf eine sehr hohe Anzahl nicht netzbildender Anlagen trifft. 

Die netzbildende Eigenschaft stellt im Prinzip das Verhalten einer trägheitsbehafteten Spannungsquelle dar. Das bedeutet eine Einheit mit netzbildenden Eigenschaften: 

• Gibt Spannung und Frequenz an ihren Klemmen vor 
• Stellt Phasensprungleistung (instantane Momentanreserve) bereit 
• Stellt Trägheit (Momentanreserve) bereit 
• Kann bei einem Kurzschlussverhältnis (SCR) = 0 betrieben werden
• Trägt nicht zur Minderung des effektiven Kurzschlussleistungsverhältnis (ESCR) im System bei. 

Die Systemtransformation bei bis zu 100 % Erneuerbaren-Energien-Anlagen kann nur dann gelingen, wenn ausreichend netzbildende Anlagen im Stromversorgungssystem vorhanden sind.

Dabei stellt die Weiterentwicklung zu netzbildendem Verhalten insbesondere bei umrichterbasierten Erzeugungsanlagen kein einfaches Upgrade dar. Im Gegenteil: diese Eigenschaft erfordert grundlegend andere Voraussetzungen und Anforderungen für Erzeugungsanlagen. Die Anforderungen, die von netzbildenden Anlagen erfüllt werden müssen und entsprechende Nachweise, die erbracht werden müssen, sind im FNN Hinweis "Technische Anforderungen an Netzbildende Eigenschaften inklusive der Bereitstellung von Momentanreserve” beschrieben. Die Einhaltung der Anforderungen und Nachweise in diesem FNN Hinweis sind auch die technische Voraussetzung für netzbildende Anlagen, die am zukünftigen Momentanreservemarkt teilnehmen sollen.

Wo werden die Fähigkeiten eingeführt?

*MinAnf: Mindestanforderung

**VDE FNN Hinweis „Technische Anforderungen an Netzbildende Eigenschaften inklusive der Bereitstellung von Momentanreserve“

Hinsichtlich der Wirkleistungsregelung erfüllt eine Kundenanlage das Kriterium der Eigenstabilität durch korrekte Auslegung der Netzsicherheitsbasierten Primärregelung. Hinsichtlich der Spannungsregelung wird dieses Kriterium erfüllt mit der Implementierung der schnellen Spannungsregelung. 

In dieser Kombination wird die Kundenanlage in die Lage versetzt einen stabilen Arbeitspunkt konstant aufrecht zu erhalten und sich für gewisse Störungen selbst zu stabilisieren hinsichtlich der Spannungs- und Frequenzgrenzen, die für sie gelten. Auch die Summe von eigenstabilen Systemen (Kundenanlagen) ist dann insgesamt stabil, was eine wesentliche Grundlage darstellt für das Beherrschen von großen Störereignissen, wie beispielsweise dem System Split, im deutschen Verbundsystem. 

Bei solchen Ereignissen muss zur Wahrung des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Last nach Beseitigung des Fehlers eine ungewollte Abschaltung der Kundenanlage bei definierten Fehlerereignissen zwingend vermieden werden. Diese Robustheitsanforderung wird auch als Over-Voltage- bzw. Under-Voltage-Ride-Through bezeichnet (O-/UVRT-Robustheit). Doch um die Ausweitung von Spannungstrichtern zu beschränken, wird auch ein netzdienlicher Beitrag der Kundenanlagen erwartet mit der Einspeisung eines entsprechenden Blindstroms in das Netz. 

Wo werden die Fähigkeiten eingeführt?

 *MinAnf: Mindestanforderung

Die schnelle Spannungsregelung stellt sicher, dass die Spannung an den Einheitenklemmen schnell und stabil auf einen stationären Wert ausgeregelt wird. Dabei werden Anforderungen an die zu erbringende Dynamik und Dämpfung der Regelung gestellt sowie das Vermögen auch an sehr niedrigen Kurzschlussverhältnissen am NAP (SCR) stabil zu funktionieren. Die schnelle Spannungsregelung ist dabei parallel zur langsamen Spannungsregelung im Eingriff. Hinsichtlich der Spannung an den Einheitenklemmen, stellt sich die Einheit Dank der schnellen Spannungsregelung im Prinzip wie eine Spannungsquelle hinter einer Impedanz dar.

Wo werden die Fähigkeiten eingeführt?

 *MinAnf: Mindestanforderung

Hierbei ist von der Anlage Blindleistung bereitzustellen, sodass die Spannung an den vorgelagerten Netzknoten innerhalb verträglicher Grenzwerte gehalten werden kann. Die statische Spannungshaltung zielt darauf ab, langsame (quasistationäre) Änderungen der Spannung auszuregeln. Hierfür werden in den Technischen Anschlussregeln verschiedene Verfahren vorgegeben, die von Erzeugungsanlagen, Speichern und Bezugsanlagen erfüllt werden müssen. 

Wo werden die Fähigkeiten eingeführt?

 *MinAnf: Mindestanforderung

Zur Gewährleistung der Teilnetzbetriebsfähigkeit inkl. der Überfrequenzregelung bei Großstörungen, beschreibt der VDE FNN Hinweis Anforderungen und Nachweise für Erzeugungsanlagen, kontinuierlich regelbare Speichersysteme und Verbrauchseinrichtungen.