Die Auswirkungen eines virtuellen synchronen Kompensators auf die transiente synchrone Stabilität erneuerbarer Energien

Warum es immer schwerer wird, das Licht eingeschaltet zu halten

Mit dem Ersatz traditioneller Kohle‑ und Gaskraftwerke durch immer mehr Wind‑ und Solaranlagen verändert sich der Charakter unserer Stromnetze schleichend. Konventionelle rotierende Generatoren haben von Natur aus dazu beigetragen, Spannung und Frequenz stabil zu halten. Wechselrichterbasierte Erneuerbare tun dies nicht in gleichem Maße, besonders wenn sie an lange, schwache Übertragungsleitungen angeschlossen sind. Dieser Beitrag untersucht ein neues Hilfsgerät für solche Netze — den virtuellen synchronen Kompensator, kurz VSCOM — und zeigt, wie er großen erneuerbaren Anlagen helfen kann, schwere Störungen zu überstehen, ohne den Netzanschluss zu verlieren.

Ein neuer Stabilisator für Erzeugungsanlagen aus erneuerbaren Quellen

Moderne Wind‑ und Solaranlagen sind über elektronische Umrichter mit dem Netz verbunden, die dem Netz „folgen“. Sie überwachen die Netzspannung mit einer Phasenregelung und speisen entsprechend Strom ein. Unter starken Netzbedingungen funktioniert das gut, doch wenn das umgebende Netz schwach ist, können bereits mäßige Fehler dazu führen, dass diese Umrichter die Synchronisation verlieren und die Anlagen sich abkoppeln — genau dann, wenn Strom besonders benötigt wird. Traditionelle Stützgeräte wie statische VAr‑Kompensatoren und statische VAr‑Generatoren können zwar Blindleistung bereitstellen, verhalten sich aber weiterhin eher wie Follower und kommen bei Spannungszusammenbrüchen an ihre Grenzen.

Einen Follower in einen Leader verwandeln

Der VSCOM rüstet einen vorhandenen statischen VAr‑Generator so auf, dass er sich eher wie eine Spannungsquelle denn wie eine Stromquelle verhält. Statt darauf zu warten, dass das Netz die Spannung vorgibt, „formt“ er die lokale Spannung am Anschlusspunkt der Erzeugungsanlage. Intern imitiert er die Physik einer rotierenden Maschine, indem er die in seinem Gleichstromkondensator gespeicherte Energie als virtuelle Trägheit nutzt. Die Autoren entwerfen eine spezielle Regelstrategie, die den Strom während Fehlern begrenzt, ohne dieses spannungsbildende Verhalten zu zerstören. Sinkt die Netzspannung, senkt der VSCOM automatisch seinen Spannungssollwert nur soweit ab, dass der Strom in sicheren Grenzen bleibt, während er gleichzeitig den Anschlusspunkt so aufrechterhält, dass andere Umrichter weiterhin eine gesunde Spannung sehen.

Erhöhung des sicheren Leistungsgrenzwerts in schwachen Netzen

Mithilfe eines vereinfachten, aber realistischen Schaltkreis‑Modells untersucht die Studie, wie viel Wirkleistung ein erneuerbarer Umrichter sicher in ein schwaches Netz einspeisen kann, bevor seine eigene Klemmenspannung zusammenbricht. Ohne VSCOM schrumpft diese Grenze stark, wenn das Kurzschlussverhältnis des Netzes sinkt. Unter sehr schwachen Bedingungen kann die Anlage nicht einmal die Nennleistung erreichen. Sobald der VSCOM am gemeinsamen Einspeisepunkt hinzugefügt wird, klemmt er effektiv die lokale Spannung. Die Analyse zeigt, dass die maximal stabile Leistung des erneuerbaren Umrichters um mehr als ein Viertel steigen kann, sodass auch bei extrem schwachem Netz vollleistung möglich ist.

Wie das neue Gerät heftige Transienten zähmt

Über die stationären Grenzen hinaus konzentrieren sich die Autoren auf das Geschehen in den ersten Bruchteilen einer Sekunde nach einem schweren Fehler. Sie entwickeln ein gemeinsames dynamisches Modell, in dem der netzbildende VSCOM und der netzfolgende Erneuerbare‑Umrichter über ihre Phasenwinkel und die gemeinsame Spannung interagieren. In diesem Bild führt der VSCOM einen neuen, langsameren und besser gedämpften Pfad ein, der die Bewegung des Umrichters nach einer Störung dominiert. Das Modell sagt voraus, dass mit vorhandenem VSCOM der Frequenzsprung der erneuerbaren Einheit beim Fehlerbeginn deutlich verringert wird und ihre Phasentrajektorie zur des VSCOM gezogen wird, anstatt aus dem Takt zu geraten.

Die virtuelle Maschine für bestes Verhalten abstimmen

Das Team untersucht dann, wie Geräteeinstellungen die Stabilität beeinflussen. Ist die Erzeugungsanlage elektrisch nahe beim VSCOM, ist die Kopplung stark und der stabilisierende Effekt am größten; längere interne Leitungen schwächen diese Verbindung. Die in den VSCOM eingebaute virtuelle Trägheit und Dämpfung wirken sehr ähnlich wie bei einem echten Generator: Mehr Dämpfung verbessert die Stabilität durchgängig, während zu viel Trägheit große Schwingungen und sogar erneute Instabilität verursachen kann. Eine erhöhte Kapazität für Blindleistung des VSCOM steigert zusätzlich seine Fähigkeit, die Spannung während Fehlern zu stützen, und erleichtert so die Synchronität des erneuerbaren Umrichters. Detaillierte Simulationen mit realistischen Wind‑ oder Solaranlagenmodellen bestätigen die analytischen Ergebnisse.

Was das für die Netze der Zukunft bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Kernaussage einfach: Wenn sich unsere Energiesysteme hin zu Wind und Solar verschieben, brauchen wir Geräte, die nicht nur Energie einspeisen, sondern aktiv Spannung und Frequenz gestalten. Der virtuelle synchrone Kompensator ist ein solches Gerät. Richtig geregelt und dimensioniert kann er die lokale Spannung halten, seine virtuelle „Trägheit“ mit benachbarten Umrichtern teilen und erneuerbare Anlagen in einem schwachen und gestörten Netz synchron halten. Das macht großflächige Erneuerbare robuster, verringert das Risiko kaskadierender Abkopplungen bei Störungen und trägt dazu bei, dass sauberer Strom nicht zulasten der Netzstabilität geht.

Zitation: Sun, F., Chen, Y. & Wang, W. The impact of virtual synchronous compensator on the transient synchronous stability of renewable energy. Sci Rep 16, 7875 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-34998-5

Schlüsselwörter: virtueller synchroner Kompensator, Stabilität bei schwachen Netzen, netzbildende Wechselrichter, Integration erneuerbarer Energien, Spannungsunterstützung