Direktanbindung eines Groß-Solarfelds an das Mittelspannungsnetz – Solid-State Transformatoren

Die Direktanbindung eines großen Solarfelds an die Mittelspannungsebene (typischerweise 10 kV bis 36 kV) erfordert eine hochentwickelte technische Infrastruktur, die sowohl die Transformation der Spannung als auch die Netzintegration der stark schwankenden Gleichstromleistung aus den Photovoltaik-Modulen sicherstellt.

Um diese Herausforderungen der Stromproduktion in großen Solarfeldern (Freiluft oder größere Systeme z.B. auf Industriedächern) zu meistern, werden vermehrt Mittelfrequenztransformator (MFT) eingesetzt. Sie sind nicht nur ein reiner Transformator, sondern ein galvanisch trennendes Element in einem komplexen Wandler-System, das als Leistungselektronik-Transformator (Power Electronic Transformer, PET) oder Solid-State Transformer (SST) bekannt ist. Sie ersetzen den herkömmlichen, netzfrequenten (50 Hz) Hochsetztransformator, der keine nennenswerten Regelungseigenschaften hat. Eine MFT-Station agiert dagegen als eine flexible und steuerbare galvanische Trennung zwischen dem volatilen Solarfeld und dem starren Mittelspannungsnetz. Sie erbringt neben der Einspeisung der regenerativ gewonnenen Energie auch netzdienliche Leistungen.

Die Technik dahinter

Die von den Solarmodulen generierte elektrische Leistung wird über Gleichstrom-Sammelschienen gebündelt. In diesem Text werden Schutzeinrichtungen und Abschaltmöglichkeiten (z.B. DC-Leistungstrenner, DC-Übersspannungsschutzschalter) nicht berücksichtigt.

In vielen Fällen sorgt ein Eingangs-Gleichrichter (DC/DC) dafür, dass einerseits eine Maximum Power Point Tracking (MPPT)-Regelung erfolgt, andererseits für den nachfolgenden Mittelfrequenz-Wechselrichter ein stabilerer Arbeitspunkt zur Verfügung gestellt wird (Ausregelung von Schwankungen in der Stromproduktion durch die MPPT-Regelung).

Der erste Wechselrichter erzeugt nun eine höherfrequente Wechselspannung von 100…mehreren 10 kHz Frequenz. Der für die Hochsetzung der Wechselspannung  zuständige Mittelfrequenztransformator (Hochsetztransformator, typischerweise von 400 V bis 690 V auf das Mittelspannungsniveau des Verteilnetzbetreibers, z.B. 20 kV oder 34,5 kV) kann dadurch konstruktiv erheblich kompakter ausgelegt werden. Er dient gleichzeitig als wichtige galvanische Trennung des Solarfeldes gegenüber dem Mittelspannungsnetz.

Der Ausgangsgleichrichter erzeugt aus dem hochgesetzten, höherfrequenten Wechselstrom eine Gleichspannung. Diese pulsierende Gleichspannung wird im anschließenden, regelbaren Ausgangswechselrichter schließlich in den netzkonformen 3 Phasen-50 Hz Strom umgewandelt.

Dank dieser recht aufwändigen Abfolge von Wechsel- und Gleichrichtern erhält man eine kompakte und vor allem regelbare Anschlußeinheit an das Verteilnetz. Solche Stationen mit Mittelfrequenztransformator können durch ihre Regelbarkeit erheblich besser mit der größten technischen Herausforderung bei der Netzanbindung von Groß-Solarfeldern umgehen: der starken Volatilität der Energieerzeugung. Die Leistung kann abrupt und unvorhersehbar durch Wetterereignisse (Wolkenfelder) schwanken. Diese rapiden Leistungsschwankungen führen zu einer erhöhten Belastung der Netzbetriebsmittel (wie Transformatoren und Leitungen) und können die Netzstabilität gefährden.

Prinzipieller Aufbau einer Solid State Transformatorstation

Vorteile von SSD`s

Mittelfrequenz-Power Station liefern, insbesondere im Verbund mit Batteriespeichersystemen (BESS), gleich mehrere Funktionen, die bei einem dezentral aufgebauten Netz immer wichtiger werden:

Blind-Wirkleistungsmanagement: Im Rahmen eines dezentral organisierten Smart Grids sind MFTs entscheidende, regelbare Transformatoren mit Netzdienstleistungen und einer aktiven Spannungsqualität-Steuerung. Sie können aktiv in die Spannungs- und Blindleistungsregelung eingreifen und so eine effizientere Nutzung der vorhandenen Ressourcen und eine Reduzierung von Spitzenlasten im Stromnetz bewirken.

Flexiblere Netzintegration von Speichern: MFTs z.B. von SMA Solar ermöglichen aufgrund ihrer integrierten Leistungselektronik die effiziente Integration von Batteriespeichern in das Stromnetz. Die bidirektionale Leistungsübertragung zwischen DC-Speicher und AC-Netz lässt sich durch die Steuerung der Leistungselektronik effizient und schnell regeln, was für den Ausgleich von kurzfristigen Solareinspeisungsschwankungen (z.B. bei Wolkendurchzug) unerlässlich ist. Zusätzlich wird durch die Leistungselektronik der Batteriespeicher auch für die Aufnahme überschüssiger elektrischer Energie aus dem Verteilnetz zur Verfügung gestellt (Netzentlastung, Frequenzhaltung)

Zusammenfassung

Mittelfrequenz-Stationen auf Basis von Mittelfrequenztransformatoren (MFT) werden als Solid-State Transformer (SST) bezeichnet und stellen eine flexible und effiziente technologische Brücke für moderne Energiesysteme dar. Ihre primäre Bedeutung liegt in der netzkonformen Einspeisung volatiler erneuerbarer Energien (wie Solarenergie) in das Mittelspannungsnetz. Durch ihre steuerbare Leistungselektronik und das kompakte Design des MFT-Kerns ermöglichen sie nicht nur eine effiziente Transformation und galvanische Trennung, sondern auch die nahtlose Integration von Batteriespeichersystemen. Diese integrierte Fähigkeit ermöglicht, dass sie die Speicherladung und -entladung aktiv steuern und in noch höherem Maße essenzielle Netzdienstleistungen (wie Blindleistungsmanagement) bereitgestellt werden können.

 

© Gerald Friederici 01/2026