Grid-Forming vs. Grid-Following PCS: Was Projektbesitzer wissen sollten
Da Energiespeichersysteme (ESS) zunehmend zu einem zentralen Bestandteil kommerzieller, industrieller und netzgebundener Stromversorgungssysteme werden, wird das Power Conversion System (PCS) nicht länger nur als einfacher DC/AC-Wandler betrachtet. Vielmehr gilt es heute als das steuernde Herzstück, das bestimmt, wie ein Energiespeichersystem mit dem Stromnetz, den lokalen Verbrauchern und anderen dezentralen Energiequellen (DERs) interagiert.
Was ist ein Power Conversion System (PCS)?
Ein PCS bildet die Schnittstelle zwischen dem Batteriesystem (DC-Seite) und dem Stromnetz bzw. der Last (AC-Seite). Über die reine Energieumwandlung hinaus übernimmt ein modernes PCS unter anderem folgende Aufgaben:
Regelung von Wirk- und Blindleistung
Spannungs- und Frequenzregelung
Netzsynchronisation
Management der Netz- und Spannungsqualität
Nahtloser Wechsel zwischen Netz-, Insel- und Hybridbetrieb
Sicherstellung der Systemstabilität in Multi-Source-Umgebungen
Die Regelungsphilosophie des PCS bestimmt, ob es als Grid-Following oder Grid-Forming System arbeitet.
Was ist ein Grid-Following PCS?
Definition
Ein Grid-Following PCS synchronisiert sich mit einer bereits vorhandenen Netzspannung und -frequenz. Es misst die Netzparameter und speist Strom entsprechend ein.
Vereinfacht gesagt:
Ein Grid-Following PCS benötigt ein stabiles externes Netz, um korrekt zu funktionieren.
Es geht davon aus, dass Spannung und Frequenz bereits durch das öffentliche Netz oder andere netzbildende Quellen (z. B. Synchrongeneratoren) vorgegeben werden.
Funktionsweise von Grid-Following PCS
Grid-Following PCS nutzen in der Regel eine Phase-Locked Loop (PLL), um Spannung und Frequenz des Netzes zu verfolgen. Nach der Synchronisation regeln sie:
Wirkleistung (kW)
Blindleistung (kVar)
Eine eigenständige Spannungs- oder Frequenzregelung erfolgt jedoch nicht.
Typische Einsatzbereiche von Grid-Following PCS
Grid-Following PCS werden häufig eingesetzt in:
Netzgekoppelten gewerblichen und industriellen Energiespeichersystemen
Peak-Shaving- und Energiearbitrage-Anwendungen
PV-plus-Speicher-Systemen mit stabilem Netzanschluss
Anwendungen mit dauerhaft verfügbarem Netz
Vorteile von Grid-Following PCS
Bewährte und weit verbreitete Technologie
Geringere Systemkomplexität
Kosteneffizient für rein netzgekoppelte Anwendungen
Hohe Akzeptanz bei Netzbetreibern und EPCs
Einschränkungen von Grid-Following PCS
Kein Betrieb ohne vorhandenes Netz möglich
Eingeschränkte Leistung bei schwachen Netzen
Keine Black-Start-Fähigkeit
Nicht geeignet für Insel- oder Off-Grid-Systeme
Für Projekte mit hohen Anforderungen an Versorgungssicherheit und Netzunabhängigkeit sind diese Einschränkungen besonders relevant.
Was ist ein Grid-Following PCS?
Definition
Ein Grid-Forming PCS erzeugt und regelt aktiv Spannung und Frequenz. Es folgt dem Netz nicht, sondern bildet selbst ein stabiles elektrisches Netz – vergleichbar mit einem virtuellen Synchrongenerator.
Einfach ausgedrückt:
Ein Grid-Forming PCS kann ein Netz aufbauen, anstatt auf eines angewiesen zu sein.
Funktionsweise von Grid-Forming PCS
Grid-Forming PCS basieren auf fortschrittlichen Regelungsalgorithmen wie:
Virtual Synchronous Generator (VSG)
Droop-Control
Virtuelle Trägheitsregelung
Diese ermöglichen es dem PCS:
Spannung und Frequenz vorzugeben
Lasten dynamisch mit anderen Energiequellen zu teilen
Stabilität bei plötzlichen Laständerungen zu gewährleisten
Black-Start- und Inselbetrieb zu unterstützen
Typische Einsatzbereiche von Grid-Forming PCS
Grid-Forming PCS kommen zunehmend zum Einsatz in:
Inselnetzen und Off-Grid-Mikronetzen
Hybrid-Systemen (Netz- und Inselbetrieb)
Schwachen oder instabilen Netzen
Rechenzentren und kritischer Infrastruktur
Systemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien
Vorteile von Grid-Forming PCS
Ermöglicht echten Off-Grid-Betrieb
Unterstützt Black-Start-Funktionen
Erhöht die Gesamtstabilität des Systems
Ideal für Mikronetze und Hybridanwendungen
Zukunftssicher im Hinblick auf sich ändernde Netzanforderungen
Herausforderungen von Grid-Forming PCS
Komplexere Regelungsarchitektur
Höherer Engineering- und Inbetriebnahmeaufwand
Erfordert systemübergreifende Designkompetenz
Etwas höhere Anfangsinvestitionen
In vielen Projekten werden diese Herausforderungen jedoch durch den langfristigen betrieblichen und wirtschaftlichen Nutzen mehr als ausgeglichen.
Grid-Forming vs Grid-Following: Zentrale Unterschiede
Statt die beiden Konzepte nur technisch zu vergleichen, sollten Projektinhaber verstehen, wie sich die Unterschiede auf den realen Anlagenbetrieb auswirken.
Ein Grid-Following PCS ist vollständig auf ein vorhandenes Netz angewiesen, das Spannung und Frequenz vorgibt. Es speist Leistung ein, übernimmt jedoch keine Verantwortung für die Netzstabilität. In starken, stabilen Netzen ist dieser Ansatz effizient und wirtschaftlich. In schwachen oder instabilen Netzen kann die Performance jedoch deutlich eingeschränkt sein.
Ein Grid-Forming PCS hingegen übernimmt aktiv die Verantwortung für Spannung und Frequenz. Es arbeitet als Spannungsquelle statt als Stromquelle und kann dadurch auch dann stabile Betriebsbedingungen aufrechterhalten, wenn das öffentliche Netz nicht verfügbar oder unzuverlässig ist. Dies ermöglicht Black-Start-Fähigkeit, nahtlose Inselbildung und zuverlässigen Hybrid- oder Off-Grid-Betrieb.
Aus Sicht des Projektinhabers liegt der entscheidende Unterschied in der Verantwortung: Grid-Following PCS setzt ein stabiles Netz voraus – Grid-Forming PCS stellt die Stabilität selbst bereit.
Warum diese Entscheidung für Projektinhaber entscheidend ist
1. Systemresilienz und Zuverlässigkeit
Wenn Netzausfälle, Spannungseinbrüche oder instabile Versorgungsnetze zu erwarten sind, bietet ein Grid-Forming PCS eine deutlich höhere Betriebssicherheit.
2. Zukünftige Netzanforderungen
Mit dem steigenden Anteil erneuerbarer Energien verlangen Netzbetreiber zunehmend netzstützende und netzbildende Funktionen von dezentralen Energieanlagen.
Die frühzeitige Wahl eines Grid-Forming PCS kann spätere Nachrüstkosten vermeiden.
3. Mikronetz- und Hybridbetrieb
Für Projekte, die zeitweise oder dauerhaft im Inselbetrieb arbeiten sollen, ist ein Grid-Forming PCS unverzichtbar.
4. ROI und Lebenszykluswert
Auch wenn Grid-Forming PCS höhere Anfangskosten verursachen können, bieten sie häufig:
Höhere Anlagenverfügbarkeit
Weniger betriebliche Einschränkungen
Zusätzliche Erlöspotenziale
Geringere langfristige Projektrisiken
Dies wirkt sich direkt positiv auf den Lebenszyklus-ROI aus.
Können Grid-Following und Grid-Forming PCS kombiniert werden?
Ja. In modernen Energiespeichersystemen werden zunehmend hybride Architekturen eingesetzt:
Grid-Forming PCS stellt Spannung und Frequenz bereit
Grid-Following PCS optimiert die Leistungsbereitstellung
Ein leistungsfähiges Energiemanagementsystem (EMS) koordiniert beide Betriebsarten und maximiert Stabilität, Performance und Wirtschaftlichkeit.
Zentrale Fragen an PCS-Lieferanten
Projektinhaber sollten vor der Auswahl eines PCS folgende Fragen stellen:
Unterstützt das PCS Grid-Forming-Betrieb?
Ist ein nahtloser Wechsel zwischen Netz- und Inselbetrieb möglich?
Wie verhält sich das PCS bei schwachen Netzen?
Welche Regelungsalgorithmen werden eingesetzt (VSG, Droop, virtuelle Trägheit)?
Wie beeinflusst die PCS-Auswahl Sicherheit und ROI des Gesamtsystems?
Fazit
Die Entscheidung zwischen Grid-Following und Grid-Forming PCS ist längst keine rein technische Detailfrage mehr, sondern eine strategische Weichenstellung für Resilienz, Flexibilität, Netzkonformität und Wirtschaftlichkeit eines Energiespeicherprojekts.
Für klassische, rein netzgekoppelte Anwendungen kann ein Grid-Following PCS ausreichend sein. Für Projekte mit hohen Anforderungen an Versorgungssicherheit, Skalierbarkeit und Zukunftsfähigkeit wird Grid-Forming PCS jedoch zunehmend zur bevorzugten Lösung.
Projektinhaber, die diesen Unterschied verstehen und frühzeitig berücksichtigen, sind klar im Vorteil, wenn es darum geht, den langfristigen Wert ihrer Energiespeicherinvestitionen zu maximieren.