Grid-following Inverter

Ein Grid-following Inverter ist ein Wechselrichter, der für seinen Betrieb ein vorhandenes elektrisches Netz als Referenz benötigt. Er misst die Netzspannung, erkennt daraus Frequenz und Phasenlage und speist anschließend Strom so ein, dass er zu diesem Netzsignal passt. Auf Deutsch wird häufig von einem netzfolgenden Wechselrichter gesprochen.

Der Begriff beschreibt keine Energiequelle, sondern eine Betriebsweise der Leistungselektronik. Photovoltaikanlagen, viele Windenergieanlagen, Batteriespeicher und Umrichter in industriellen Anlagen können netzfolgend betrieben werden. Die Anlage selbst erzeugt oder speichert Energie; der Wechselrichter wandelt Gleichstrom oder entkoppelte Wechselstromgrößen so um, dass sie in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden können. Bei einem Grid-following Inverter geschieht diese Einspeisung an einem Netz, das seine elektrische Orientierung bereits vorgibt.

Technisch arbeitet ein netzfolgender Wechselrichter meist stromgeregelt. Er verhält sich gegenüber dem Netz eher wie eine gesteuerte Stromquelle als wie eine Spannungsquelle. Die Regelung bestimmt, wie viel Wirkstrom und Blindstrom eingespeist oder aufgenommen werden soll. Damit dieser Strom synchron zur Netzspannung ist, braucht der Wechselrichter eine verlässliche Messung von Spannung, Frequenz und Phasenwinkel. Häufig wird dafür eine Phasenregelschleife verwendet, im Englischen Phase-Locked Loop oder PLL. Sie verfolgt die Netzphase und liefert der Umrichterregelung die zeitliche Referenz.

Eine Maßeinheit für „grid-following“ gibt es nicht. Relevant sind stattdessen die elektrische Leistung der Anlage in Kilowatt oder Megawatt, die Netzspannungsebene, die zulässigen Frequenz- und Spannungsbereiche, die Reaktionszeiten der Regelung und die Eigenschaften des Netzknotens. In schwachen Netzen spielt außerdem das Kurzschlussleistungsverhältnis eine Rolle. Es beschreibt vereinfacht, wie stark das Netz am Anschlusspunkt im Vergleich zur angeschlossenen Umrichterleistung ist. Je schwächer der Netzpunkt, desto schwieriger wird es für einen netzfolgenden Wechselrichter, eine stabile Referenz zu erkennen und seine Einspeisung ohne unerwünschte Wechselwirkungen zu regeln.

Abgrenzung zu netzbildenden Wechselrichtern

Der wichtigste Nachbarbegriff ist der Grid-forming Inverter, also der netzbildende Wechselrichter. Ein netzbildender Wechselrichter orientiert sich nicht nur an einer vorhandenen Netzspannung, sondern kann selbst eine Spannung mit Frequenz und Phasenlage bereitstellen. Er kann damit in bestimmten Grenzen ein Inselnetz aufbauen, nach einer Störung eine Referenz liefern oder in einem schwachen Netz stabilisierend wirken. Ein Grid-following Inverter kann das in der Regel nicht. Fällt die Netzreferenz weg, fehlt ihm die Größe, der er folgen soll.

Diese Abgrenzung wird oft unscharf verwendet, weil moderne netzfolgende Wechselrichter durchaus netzstützende Funktionen übernehmen können. Sie können Blindleistung bereitstellen, Spannung am Netzanschlusspunkt beeinflussen, bei Frequenzabweichungen Wirkleistung anpassen oder Störungen durchfahren, wenn die Anschlussregeln dies verlangen. Solche Funktionen machen sie aber nicht automatisch netzbildend. Der Unterschied liegt in der Führungsgröße der Regelung: Folgt der Wechselrichter einer externen Netzspannung, ist er netzfolgend. Stellt er die elektrische Referenz selbst bereit, arbeitet er netzbildend.

Ebenfalls zu unterscheiden ist der Begriff vom allgemeinen „netzgekoppelten Wechselrichter“. Netzgekoppelt heißt zunächst nur, dass der Wechselrichter mit einem Stromnetz verbunden ist. Er kann netzfolgend, netzbildend oder in Mischformen betrieben werden. Auch der Begriff „Smart Inverter“ ist keine saubere technische Abgrenzung. Er bezeichnet meist Wechselrichter mit erweiterten Kommunikations- und Regelungsfunktionen, sagt aber allein noch nicht, ob die Anlage eine Netzreferenz bilden oder nur verfolgen kann.

Warum netzfolgende Wechselrichter lange gut funktionierten

Netzfolgende Wechselrichter wurden in Stromnetzen großflächig eingesetzt, weil sie für den Anschluss einzelner Erzeugungsanlagen an ein starkes Verbundnetz technisch zweckmäßig sind. Das europäische Verbundnetz war über Jahrzehnte von Synchrongeneratoren in Kraftwerken geprägt. Diese Maschinen stellten durch ihre rotierenden Massen, ihre Spannungsregelung und ihre elektromagnetischen Eigenschaften eine robuste Netzreferenz bereit. In einem solchen Umfeld kann ein Wechselrichter effizient einspeisen, indem er das vorhandene Signal misst und seinen Strom entsprechend ausrichtet.

Für Photovoltaikanlagen war diese Betriebsweise besonders naheliegend. Solarmodule liefern Gleichstrom, der Wechselrichter erzeugt daraus netzsynchronen Wechselstrom. Die Anlage muss keine eigene Netzfrequenz vorgeben, weil das öffentliche Netz diese Größe bereits liefert. Ähnliches gilt für viele Batteriespeicher, solange sie in einem stabilen Verbundnetz zur Energieverschiebung, zur Bereitstellung von Regelleistung oder zur Eigenverbrauchsoptimierung eingesetzt werden.

Aus dieser technischen Ordnung entstanden auch Anschlussregeln und Schutzkonzepte. Viele kleinere Anlagen mussten sich bei unzulässigen Frequenz- oder Spannungsabweichungen vom Netz trennen, um Inselnetze zu vermeiden und Betriebsmittel zu schützen. Später wurden die Anforderungen erweitert: Anlagen sollen bei bestimmten Störungen am Netz bleiben, Blindstrom einspeisen und die Netzspannung stützen. Diese Entwicklung zeigt, dass die Rolle von Wechselrichtern nicht statisch ist. Sie bleibt aber durch die Betriebsart begrenzt, solange die Netzreferenz von anderen Betriebsmitteln geliefert werden muss.

Relevanz bei hohem Anteil erneuerbarer Einspeisung

Mit wachsendem Anteil von Photovoltaik, Windenergie und Batteriespeichern verändert sich die Funktion von netzfolgenden Wechselrichtern im Stromsystem. Wenn immer mehr elektrische Leistung über Leistungselektronik eingespeist wird und gleichzeitig weniger Synchrongeneratoren am Netz sind, sinkt die Menge der Betriebsmittel, die Spannung und Frequenz physikalisch träge und eigenständig prägen. Ein einzelner netzfolgender Wechselrichter ist dann weiterhin regelbar und schnell. Die Frage verschiebt sich aber zur Stabilität der gemeinsamen Referenz, der viele dieser Geräte folgen.

Bei Störungen kann diese Unterscheidung praktische Folgen haben. Ein Spannungseinbruch, eine Phasensprungstörung oder eine schnelle Frequenzänderung fordert die Mess- und Regelungssysteme der Wechselrichter. Wenn viele Anlagen ähnliche Regelungen verwenden, können sie auf dieselbe Störung ähnlich reagieren. Das kann erwünscht sein, wenn die Netzanschlussregeln sauber koordiniert sind. Es kann aber auch zu Wechselwirkungen führen, etwa zu Schwingungen, unerwarteten Leistungsänderungen oder Schutzabschaltungen. Die Ursache liegt dann nicht in „erneuerbarer Energie“ als solcher, sondern in der Kombination aus Netzstärke, Regelungsparametern, Anschlussregeln und fehlender netzbildender Fähigkeit.

Grid-following Inverter sind daher ein zentraler Begriff für Debatten über Versorgungssicherheit, Momentanreserve, Kurzschlussstrom und Systemdienstleistungen. Synchrongeneratoren liefern bestimmte Eigenschaften aus ihrer Bauart heraus. Wechselrichter können viele dieser Funktionen technisch nachbilden oder sogar schneller bereitstellen, aber nur, wenn sie entsprechend ausgelegt, geregelt, zertifiziert und im Betrieb auch angefordert werden. Eine Anlage, die technisch Blindleistung oder Frequenzstützung leisten könnte, tut dies nicht automatisch in jedem Markt- und Netzregime.

Typische Missverständnisse

Ein verbreitetes Missverständnis besteht darin, netzfolgende Wechselrichter als grundsätzlich instabil zu betrachten. Das ist ungenau. In starken Netzen mit klaren Anschlussbedingungen arbeiten sie sehr zuverlässig und haben die Integration großer Mengen erneuerbarer Einspeisung überhaupt erst ermöglicht. Probleme entstehen vor allem dort, wo die Betriebsumgebung nicht mehr zu den Annahmen passt, unter denen die Regelung entworfen wurde.

Ebenso falsch ist die Gleichsetzung von „netzfolgend“ mit „passiv“. Ein Grid-following Inverter kann sehr aktiv in den Netzbetrieb eingreifen. Er kann Wirkleistung begrenzen, Blindleistung regeln, Spannungsbänder einhalten, Frequenzstützung leisten oder Vorgaben eines Netzbetreibers umsetzen. Seine Grenze liegt nicht in fehlender Regelbarkeit, sondern in der Abhängigkeit von einer externen elektrischen Referenz.

Eine weitere Verkürzung betrifft den Begriff der Einspeiseleistung. Hohe installierte Leistung aus netzfolgenden Wechselrichtern bedeutet nicht automatisch hohe netzstabilisierende Leistung. Für den Netzbetrieb zählen neben Megawatt auch Regelverhalten, Fehlerstrombeitrag, Spannungsstützung, Kommunikationsfähigkeit, Schutzkonzept und Verfügbarkeit am konkreten Netzpunkt. Ein Megawatt Photovoltaikleistung an einem starken Umspannwerk hat andere systemische Eigenschaften als ein Megawatt an einem schwachen ländlichen Netzstrang oder in einem Inselnetz.

Auch der Begriff „Inertia“ wird häufig ungenau angelegt. Netzfolgende Wechselrichter besitzen keine rotierende Masse wie ein Synchrongenerator. Sie können jedoch schnelle frequenzabhängige Leistungsreaktionen liefern, sofern Energie verfügbar ist und die Regelung dies vorsieht. Das ersetzt nicht jede Eigenschaft physikalischer Trägheit, kann aber für bestimmte Stabilitätsanforderungen wirksam sein. Die technische Frage lautet dann, welche Netzstützungsfunktion benötigt wird und welche Betriebsart sie verlässlich bereitstellt.

Institutionelle und wirtschaftliche Einordnung

Ob ein Wechselrichter netzfolgend oder netzbildend betrieben wird, ist nicht allein eine Ingenieurentscheidung im Gerät. Netzanschlussregeln, technische Normen, Zertifizierungsverfahren, Vergütungsmechanismen und Verantwortlichkeiten der Netzbetreiber bestimmen, welche Funktionen verlangt und bezahlt werden. Wenn ein Markt nur gelieferte Kilowattstunden vergütet, aber schnelle Spannungsstützung, Schwarzstartfähigkeit oder netzbildende Regelung nicht angemessen abbildet, entsteht kein robuster Anreiz für diese Eigenschaften.

Für Übertragungsnetzbetreiber und Verteilnetzbetreiber hat die Unterscheidung unmittelbare Bedeutung. Sie müssen beurteilen, wie viele netzfolgende Anlagen an einem Netzbereich betrieben werden können, welche Schutzkonzepte geeignet sind und wo netzbildende Betriebsmittel erforderlich werden. In Verteilnetzen stellt sich zusätzlich die Frage, wie viele Wechselrichter koordiniert auf Spannung, Blindleistung und Wirkleistungsbegrenzung reagieren sollen. Eine rein lokale Optimierung kann Konflikte mit übergeordneten Anforderungen erzeugen.

Bei Batteriespeichern wird die Unterscheidung besonders sichtbar. Derselbe Speicher kann je nach Wechselrichter, Software und Betriebsmodus als netzfolgende Anlage am Markt handeln oder als netzbildendes Betriebsmittel Systemdienstleistungen bereitstellen. Die Hardware allein erklärt daher wenig. Maßgeblich sind Regelung, Zulassung, Netzanschlusspunkt, Betriebsführung und die vertragliche Rolle der Anlage.

Ein Grid-following Inverter ist damit kein Randbegriff der Leistungselektronik, sondern ein Schlüssel zur Frage, wie ein stromrichtergeprägtes Netz geführt wird. Er beschreibt eine Anlage, die Strom sehr präzise einspeisen kann, solange eine belastbare Netzreferenz vorhanden ist. Seine Bedeutung liegt gerade in dieser Abhängigkeit: Je mehr Erzeugung über netzfolgende Wechselrichter erfolgt, desto genauer müssen Netzstärke, Regelungskoordination und die Bereitstellung netzbildender Funktionen geplant werden.