A diagnostic of voltage infeasibility at low net load and the role of inverter-based grid support

Das Stromnetz ist eine riesige, empfindliche Maschine, die Angebot und Nachfrage in dem Moment ausgleichen muss, in dem sie auftreten. Wenn die Sonne hell scheint und der Wind kräftig weht, können erneuerbare Quellen wie Solar- und Windparks so viel Elektrizität erzeugen, dass sie den Großteil des Tagesbedarfs decken können. In diesen Momenten mit geringer Nachfrage werden die traditionellen Kraftwerke, die das System normalerweise stabil halten, oft abgeschaltet, um Kosten zu sparen. Dies führt dazu, dass das Netz über weniger große Maschinen verfügt, die in der Lage sind, die Spannung anzupassen – den elektrischen Druck, der den Strom durch die Leitungen treibt. Wenn dieser Druck zu hoch wird, kann dies die Ausrüstung beschädigen und einen Blackout auslösen; wenn er zu niedrig ist, flackert das Licht und Haushaltsgeräte fallen aus. Jahrelang haben sich Ingenieure Sorgen gemacht, dass das Netz unter zu hoher Spannung leiden würde, wenn erneuerbare Energien dominieren – ein Zustand, der scheinbar die Absorption überschüssiger Energie erforderte, um den Druck zu senken.

Ein Team von Forschern der Universität Sevilla in Spanien hat diese lang gehegte Annahme infrage gestellt. Sie untersuchten, was passiert, wenn das Netz mit erneuerbaren Energien überflutet wird und traditionelle Kraftwerke abgeschaltet werden – ein Szenario, das kürzlich zu einem großen Blackout auf der Iberischen Halbinsel führte. Mith{$er Verwendung von fortgeschrittenen Computersimulationen von drei verschiedenen elektrischen Netzwerken entwickelten sie eine neue Methode, um zu diagnostizieren, warum ein Netz ausfällt. Ihre Arbeit zeigt, dass eine zu hohe Spannung in diesen Zeiten mit geringer Nachfrage oft ein Zeichen für das gegenteilige Problem ist: einen verzweifelten Mangel an Unterstützung, nicht einen Überschuss an Energie. Die Forscher fanden heraus, dass der Versuch, einfach Energie zu absorbieren, wie es Standard-Sicherheitsprüfungen oft nahelegen, die Situation verschlimmern würde. Stattdessen liegt die Lösung darin, bestimmte Kraftwerke in Betrieb zu halten, um aktive Unterstützung zu leisten, und sicherzustellen, dass Batteriespeichersysteme keinen Strom mehr ziehen, wenn ihre lokalen Generatoren ausfallen.

Die Studie begann mit der Untersuchung der Stunden, in denen erneuerbare Energien fast den gesamten Bedarf decken. In diesen Zeiten schaltet ein kostengetriebenes System die meisten der großen, synchronen Generatoren ab, die traditionell die Spannung stabil halten. Die Forscher stellten eine einfache, aber kritische Frage: Kann die verbleibende Ausrüstung die Spannung innerhalb sicherer Grenzen halten, bevor und nachdem ein einzelnes Kraftwerk plötzlich ausfällt? Um dies zu beantworten, entwickelten sie ein Diagnosetool, das wie ein medizinischer Scan für das Netz wirkt. Anstatt nur zu schauen, wo die Spannung am höchsten ist, simuliert das Tool tausende Szenarien, um zu bestimmen, ob das System wirklich versagt, weil es zu viel Energie hat oder weil es nach ihr hungert. Sie testeten dies an einem kleinen Neun-Bus-System, einem größeren Neununddreißig-Bus-Netzwerk und einem komplexen Dreiundsiebzig-Bus-Modell eines realen Netzes, wobei sie Simulationen für die Stunden durchführten, in denen die Nachfrage am niedrigsten und der Ertrag der Erneuerbaren am höchsten war.

Die Ergebnisse waren überraschend und kontraintuitiv. In fast jedem Fall, in dem das Netz ausfiel, mangelte es dem System tatsächlich an Blindleistung – einer Form von Energie, die benötigt wird, um die Spannung aufrechtzuerhalten – anstatt dass zu viel Energie vorhanden war. Die Forscher entdeckten einen spezifischen Mechanismus, der die Spannung gefährlich hoch schnellen lässt. Stellen Sie sich ein langes, schwach belastetes Kabel vor, das von einer Stromquelle zu einer abgelegenen Stadt führt. Weil das Kabel nicht viel Strom transportiert, erzeugt es von Natur aus seine eigene Spannung, was den Druck am fernen Ende erhöht. Um die Spannung in der abgelegenen Stadt nicht zu tief sinken zu lassen, ist das System gezwungen, die Spannung an der Quelle noch höher anzuheben. Diese Aktion drückt die Spannung am Ende des Kabels über das Sicherheitslimit. Eine Standardprüfung sieht die hohe Spannung am Kabelende und nimmt an, dass zu viel Leistung vorhanden ist, und schlägt die Installation von Geräten vor, die Energie absorbieren. Die Forscher zeigten jedoch, dass dies der falsche Schritt wäre. Das eigentliche Problem war, dass die abgelegene Stadt mehr Unterstützung benötigte, nicht weniger. Das Hinzufügen von Geräten zur Energieabsorption am Kabelende würde die Spannung sogar noch weiter ansteigen lassen und den Ausfall verschlimmern.

Die Studie untersuchte auch, wie moderne Kraftwerke, die Wechselrichter zur Anbindung an das Netz nutzen, helfen können. Diese Anlagen können so programmiert werden, dass sie die Spannung direkt steuern, wodurch sie die traditionellen Generatoren ersetzen, die sie früher innehatten. Die Forsser fanden heraus, dass die Anzahl der sicheren, betriebsbereiten Stunden dramatisch ansteigt, wenn diese Anlagen zur Spannungssteuerung konfiguriert sind. In einem großen System stieg der Anteil der Stunden, in denen sicher betrieben werden konnte, von nur neun Prozent auf dreiundsiebzig Prozent, wenn die Kraftwerke die Spannungsregelung statt einer festen Einstellung nutzten. Diese Verbesserung resultierte hauptsächlich aus der Fähigkeit der Anlagen, Blindleistung auf Abruf zu erzeugen oder zu absorbieren. Selbst wenn die Anlagen nur über die Hälfte der üblichen Kapazität für diese Aufgabe verfügten, schnitten sie genauso gut ab wie Anlagen mit voller Kapazität, die auf einen festen Ausgang eingestellt waren. Der Schlüssel war die Fähigkeit zur dynamischen Anpassung, um den Regelkreis zu schließen und die Spannung bei wechselnden Bedingungen stabil zu halten.

Ein weiterer entscheidender Befund betraf die Batterien, die oft direkt bei diesen erneuerbaren Anlagen stehen. In vielen aktuellen Designs kann es passieren, dass, wenn eine Solar- oder Windanlage ausfällt, die Batterie am selben Standort weiter lädt und somit Strom aus dem Netz zieht. Die Forscher fanden heraus, dass dieses Verhalten gefährlich sein kann. Wenn die Anlage ausfällt, verliert das Gebiet eine Stromquelle, aber wenn die Batterie weiter lädt, wirkt sie wie eine zusätzliche Last, die den lokalen Energiemangel vertieft. In ihren Simulationen entzog eine Batterie, die nach dem Ausfall der Anlage weiter lud, in etwa einem Viertel der Fälle, in denen das System ansonsten stabil war, die Möglichkeit des sicheren Betriebs. Entscheidend war, dass die Batterie, die das Problem verursachte, nicht immer diejenielge war, die sich am Ort des größten Ausfalls befand. Es war oft eine Batterie an einem anderen Standort, die einen entfernten, vulnerablen Teil des Netzes speiste. Dies bedeutet, dass Sicherheitsregeln sich nicht nur auf den Ort des größten Ausfalls konzentrieren dürfen, sondern vorschreiben müssen, dass jede mit einer Anlage verbundene Batterie sofort mit dem Laden aufhören muss, wenn diese Anlage ausfällt.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die herkömmliche Art, Netzfehler zu interpretieren, oft irreführend ist. Wenn eine Sicherheitsprüfung eine hohe Spannung meldet, bedeutet das nicht automatisch, dass das System zu viel Energie hat. In den Zeiten mit geringer Nachfrage einer durch erneuerbare Energien geprägten Zukunft ist eine hohe Spannungmeldung häufig ein Symptom eines lokalen Mangels, bei dem das Netz zu sehr beansprucht wird, um eine entfernte Last zu unterstützen. Das Heilmittel besteht nicht darin, Energie zu absorbieren, sondern sie dort bereitzustellen, wo sie fehlt – entweder durch den Betrieb nahegelegener traditioneller Einheiten oder durch die Spannungssteuerungsfähigkeiten moderner Wechselrichter. Das von ihnen entwickelte Diagnosetool kann zwischen diesen beiden Situationen unterscheiden, ohne die detaillierte Struktur des Netzwerks kennen zu müssen, und bietet den Netzbetreibern einen klaren Weg, um die Stromversorgung aufrechtzuerhalten. Indem Netzmanager verstehen, dass eine hohe Spannung ein Zeichen für mangelnde Unterstützung sein kann, können sie vermeiden, die falsche Maßnahme anzuwenden, und stattdessen das Netz genau dort stärken, wo es am schwächsten ist.