2,5 MW/10,32 MWh netzstabilisierendes BESS für ein PV-Diesel-Mikronetz, China, Tibet

Tibet Kunlun 2,5 MW/10 MWh netzstabilisierender Speicher: Aktive Spannungs- und Frequenzregelung an einem hochgelegenen Knotenpunkt mit schwachem Netz

Die Entwicklung netzstabilisierender Speichersysteme in Tibet ist mittlerweile in die Validierungsphase im Hundert-Megawatt-Maßstab übergegangen. Vor diesem Hintergrund ist ein 2,5-MW/10-MWh-System keine verkleinerte Version einer Großanlage. Es handelt sich um einen präzisen Einsatz für einen Endknoten, eine einzelne Zuleitung oder ein lokales Mikronetz – eine Konfiguration, deren Wert nicht in der Kapazität liegt, sondern darin, ob sie den Speicher von der Nachführung des Netzes dazu bringen kann, Spannungs- und Frequenzreferenzen unter dem kombinierten Druck eines sehr niedrigen Kurzschlussverhältnisses (SCR), den physikalischen Gegebenheiten in großer Höhe sowie der Koordination mehrerer Einheiten. Die Relevanz des Kunlun-Projekts liegt darin, dass es ein reproduzierbares technisches Modell für diese Rolle auf Knotenebene darstellt.

Warum ein Endknoten Netzbildung benötigt und nicht Netzanpassung

Die Struktur des tibetischen Endnetzes ist durch lange radiale Verbindungen, Einstrangversorgung und geringe lokale Kurzschlusskapazität gekennzeichnet. In Teilen von Ngari ist das Netz über eine einzige, etwa 500 km entfernte 110-kV-Leitung an das Hauptnetz angeschlossen; der Anteil erneuerbarer Energien ist im Verhältnis zur lokalen Netzfestigkeit hoch, und die PV-Leistung wurde in der Vergangenheit durch Einspeisebegrenzungen gedeckelt. Unter solchen Bedingungen sind netzfolgende Wechselrichter auf eine Phasenregelschleife angewiesen, um die Netzspannung nachzuführen. Sobald der SCR unter den kritischen Bereich fällt, verschlechtert sich die Synchronisationsstabilität drastisch, und eine Wiederherstellung nach einer Störung ist nicht gewährleistet.

Netzbildende Speicher arbeiten nach einem anderen Prinzip: Sie legen ihre eigene Spannungs- und Frequenzreferenz fest, liefern bei Störungen Kurzschlussstromunterstützung und verhalten sich im stationären Zustand wie eine Spannungsquelle. Quantifizierte Forschungsergebnisse zeigen, dass die Integration von GFM den kritischen SCR des Systems von 1,07 auf 1,52 erhöhen kann, wodurch sich die Grenze für den Windkraftanteil entsprechend nach oben verschiebt. Für Tibets zahlreiche „ressourcenreiche, leistungsschwache“ Endknoten ist diese SCR-Marge der zentrale Mehrwert.

Drei sich verstärkende Einschränkungen: Höhe, Netzfestigkeit und Koordination mehrerer Einheiten
Die Schwierigkeit liegt nicht in einer einzelnen Funktion, sondern im Zusammenspiel dreier physikalischer und steuerungstechnischer Einschränkungen.

Die Höhe schränkt den physikalischen Spielraum der Geräte ein. Oberhalb von 4.500 m beeinträchtigt die geringere Luftdichte die Wirksamkeit der Luftkühlung und senkt die Durchschlagfestigkeit der Isoliermedien. Branchenanalysen zeigen, dass die Effizienz der passiven Kühlung in der Höhe um 20–30 % sinken kann, während das Risiko von Teilentladungen steigt, da die effektiven elektrischen Abstände kleiner werden. Die Lösung besteht nicht einfach in einer Leistungsreduzierung: Die Wärmepfade der IGBT-Module, die Isolationsstrukturen der Drosseln und die Abstände auf Schaltschrankebene erfordern eine gezielte Neukonstruktion.

Schwache Netzbedingungen verschärfen die Anforderungen an die Regelbandbreite. Bei niedrigem SCR macht eine hohe Netzimpedanz die Spannung weitaus empfindlicher gegenüber Blindleistungseinspeisungen und die Frequenz reaktionsfähiger gegenüber Störungen der Wirkleistung. Die GFM-Regelungsstrategie muss unter Bedingungen mit sehr niedrigem SCR synchron stabil bleiben. Das PCS von NR Electric für das netzunabhängige Amdo-Projekt wurde ausdrücklich für einen „sicheren und stabilen Betrieb bei extrem niedrigem SCR“ konzipiert und kombiniert eine vollständige Vorwärtsregelung von Spannung und Frequenz mit einer spannungsentspannenden Parallelsteuerung mehrerer Einheiten mit variabler Struktur.

Die Koordination mehrerer Einheiten verstärkt das Konsistenzrisiko. Ein 2,5-MW/10-MWh-System besteht typischerweise aus mehreren parallel geschalteten PCS-Einheiten. In einem schwachen Netz werden die Unterdrückung von Zirkulationsströmen und die Konsistenz der Leistung schwieriger: Geringe Parameterabweichungen zwischen den Einheiten können zu anhaltenden Schwingungen oder einer ungleichmäßigen Leistungsverteilung führen. Goldwinds Kurzschlusstest auf Anlagenebene in Naqu (20 MW/80 MWh, >4.500 m) liefert einen gemessenen Maßstab: 3-fache Nennstromunterstützung während eines künstlichen Fehlers, eine Abweichung der transienten Reaktionszeit von unter 1 % und eine Amplitudenabweichung von unter 5 % über alle parallel geschalteten Einheiten hinweg.

Was bei einer 2,5-MW/10-MWh-Konfiguration beachtet werden muss
Bei dieser Größenordnung steht Stabilität und nicht die Skalierung im Vordergrund. Aus der offen gelegten technischen Praxis in Tibet ergeben sich drei Anpassungspunkte.

Die Regelparameter müssen aus dem SCR am Netzanschlusspunkt abgeleitet und dürfen nicht aus Vorlagen kopiert werden. Ein auf ein starkes Netz abgestimmtes Standard-VSG kann transiente Leistungsschwankungen aufweisen, wenn der SCR-Wert unter 1,5 liegt. Die Naqu-Anlage von Sineng nutzt eine Steuerung mit virtuellem Synchrongenerator und einer auf Cluster-Ebene integrierten AC/DC-Architektur, die eine koordinierte Reaktion über Dutzende von PCS-Einheiten hinweg ermöglicht und im Inselbetrieb eine autonome Spannungs-Frequenz-Referenz aufrechterhält. Bei einem 2,5-MW-System müssen Trägheits- und Dämpfungskonstanten auf der Grundlage der gemessenen Netzimpedanz standortspezifisch angepasst werden.

Die Überlastfähigkeit ist ein fester Schwellenwert, keine Sicherheitsmarge. Fehler in schwachen Netzen führen zu starken Spannungseinbrüchen und einer langsamen Erholung. Ein GFM-PCS ohne ausreichende Kurzzeit-Überstromfähigkeit kann zum Zeitpunkt des Fehlers keine Spannungsunterstützung aufbauen. Eine Unterstützung mit dem 3-fachen Nennstroms hat sich in mehreren Projekten in Tibet als Validierungskriterium bewährt und sollte als Grundvoraussetzung für 2,5-MW-/10-MWh-Anlagen in schwachen Netzen angesehen werden.

Black-Start und Inselbetrieb bestimmen die Obergrenze des Anwendungsfalls. Der Wert eines Endknotens beschränkt sich nicht auf die netzgebundene Unterstützung, sondern erstreckt sich auch auf die Selbstwiederherstellung nach einem Fehler. Tibets erster GFM-Black-Start-Feldtest, der im Kreis Coqên durchgeführt wurde, bestätigte den vollständigen Ablauf der unabhängigen Spannungs- und Frequenzwiederherstellung sowie der Lastwiederherstellung ohne externe Netzunterstützung. Für ein 2,5-MW/10-MWh-System, das als Endknoten zur Netzresilienz positioniert ist, gehört die Black-Start-Fähigkeit zum grundlegenden Funktionsumfang.

Warum dieses Beispiel auf Knotenebene von Bedeutung ist
Ein 2,5-MW/10-MWh-Projekt wird keine Schlagzeilen machen. Doch die damit bestätigten Fähigkeiten – Anpassung an die Höhenlage, stabiler Betrieb bei niedrigem SCR-Wert, synchronisierte Unterstützung durch mehrere Einheiten und die Bildung eines Inselnetzes – entsprechen genau den Anforderungen der Netzwerke in den entlegenen Landkreisen Tibets, der Mikro-Netze im Bergbau und der Versorgungsknotenpunkte in Grenzgebieten. Projekte im Hundert-Megawatt-Bereich beweisen, dass GFM-Speicher skalierbar sind. Projekte auf Knotenebene beantworten eine andere Frage: ob GFM-Speicher als reproduzierbarer Spannungs- und Frequenzanker an den schwächsten Stellen des Netzes dienen können – mit einer technischen Konfiguration, die einen wirtschaftlichen Einsatz in großem Maßstab ermöglicht. Für die Wirtschaftlichkeit von netzbildenden Speichern ist diese Antwort genauso wichtig wie die Schlagzeilen machenden Großprojekte.

FAQ
Für welche Anwendungen eignet sich ein 2,5-MW/10-MWh-GFM-System?
Endknoten von Zuleitungen, Spannungs- und Frequenzunterstützung für einzelne Umspannwerke, Kreis- oder Bergbau-Mikronetze sowie Resilienz-Knoten, die eine Black-Start-Fähigkeit erfordern – und nicht als zentraler Speicher für erneuerbare Energiequellen im GW-Maßstab.

Was ist die größte Herausforderung in großen Höhen?
Eine verminderte Kühlleistung und eine verringerte Isolationsreserve. Diese schränken die Dauer des Fehlerstroms und die langfristige Zuverlässigkeit ein und müssen durch eine Neugestaltung der Wärmepfade und der Isolierung gelöst werden – nicht allein durch eine Leistungsreduzierung.

Netzbildend vs. netzfolgend in einem schwachen Netz – was ändert sich?
Ein GFL-Wechselrichter ist für seine Spannungs- und Frequenzreferenz auf das Netz angewiesen und verliert bei sinkendem SCR an Synchronisationsstabilität. Ein GFM-Wechselrichter erzeugt seine eigene Referenz und gewährleistet die lokale Spannungs- und Frequenzstabilität in schwachen Netzen und im Inselbetrieb.