Automatisierung von PV-Parks

Bei dem Mitte 2024 in Betrieb gegangenem PV-Park in Himmighausen mit einer Leistung von 12 MW sorgen EZA-Regler für die netzdienliche Einspeisung. Messmodule sorgen im Rahmen eines Einzelstring-Monitorings dafür, dass der Energieertrag der PV-Module stets hoch bleibt (Bild 1).

Bei 12 MWp installierter Leistung kann man in Deutschland von einer kumulierten Jahresproduktion von 12 GWh ausgehen, was in etwa dem Jahresbedarf von 5 000 Einfamilienhäusern entspricht. Die in dem PV-Park erzeugte Energie übersteigt den vor Ort notwendigen Bedarf der 450 Einwohner deutlich – zumindest was den Momentanwert tagsüber betrifft. Nachts dreht sich das Verhältnis um. Weil keine PV-Energie zur Verfügung steht, müssen die lokalen Lasten durch das Netz versorgt werden. Zwischen den beiden Extremen entsteht eine Spreizung, die sich lediglich durch geeignete Regelmechanismen im Stromnetz beherrschen lässt. In Himmighausen erlaubt der Netzbetreiber beispielsweise eine maximale Einspeiseleistung von 12 MW, da das Netz nicht mehr Energie aufnehmen kann. Als Konsequenz der steigenden Volatilität der Netze durch den Zubau von regenerativen Erzeugungsanlagen müssen diese durch den Netzbetreiber steuerbar sein, damit die Netzstabilität sichergestellt ist.

Vor diesem Hintergrund gibt es seit 2019 verbindliche Anwendungsregeln: die VDE AR N 4110 für die Mittelspannung, VDE AR N 4120 für die Hochspannung und VDE AR N 4130 für die Höchstspannung. Diese besagt, dass sich die Erzeugungsanlagen über die Fernwirktechnik des Netzbetreibers in puncto Wirk- und Blindleistungseinspeisung beeinflussen lassen, um die Netzfrequenz und -spannung zu stabilisieren. Die dafür erforderlichen Regelfunktionen sind vereinheitlicht. Daher müssen EZA-Regler einen Komponenten-Zertifizierungsprozess durchlaufen. Die Hersteller von Erzeugern – zum Beispiel Wechselrichtern – sind zu einer Einheitenzertifizierung verpflichtet. Hinzu kommt ein Anlagenzertifikat. Erst wenn die Anlage als Gesamtsystem zertifiziert ist, hat der Betreiber Anspruch auf die volle Einspeisevergütung. Der in Himmighausen produzierte Strom wird über Direktvermarkter mit einem garantierten Mindesterlös an der Strombörse verkauft.

Zusätzliche Nutzung als Wetterstation und Datenlogger

Phoenix Contact hat seinen EZA-Regler 2019 erstmalig zertifizieren lassen. Durch Funktionserweiterungen wurde dies in den folgenden Jahren einige Male wiederholt. Die Regelfunktionen sind auf Basis der Steuerungsgeneration »PLCnext Control« über Matlab Simulink umgesetzt. Dieser Algorithmus ist zertifiziert und kann für die verschiedenen Leistungsklassen der Steuerung verwendet werden. Neben dem zertifizierten Teil lassen sich auch frei programmierbare Funktionen nutzen. In Himmighausen werden beispielsweise die gemessenen Stringstromwerte aggregiert sowie die Wettersensorik und die Informationen der Datenlogger ausgewertet. Der EZA-Regler dient also ebenfalls als Wetterstation und Datenlogger (Bild 2).

Vorbeugender Modultausch durch Einzelstring-Monitoring

Wie kann der Betreiber sicherstellen, dass die PV-Anlage stets den bestmöglichen Ertrag erbringt? Zu diesem Zweck werden die einzelnen Komponenten auf potenzielle Störquellen bewertet. Durch die mechanische Beanspruchung oder Einsatzdauer können einzelne PV-Module schneller altern als andere (Bild 3). Weil sie in einer Reihenschaltung zu einem String verbunden sind, würde im Fehlerfall der Ertrag des gesamten Strings sinken.

Deshalb bieten bestimmte Wechselrichtertypen werksseitig eine gemeinsame Strommessung von mehreren Strings. Ein solches Zonen-Monitoring kann die Fehler aber nicht so genau erkennen, als wenn jeder String separat gemessen wird. Vor diesem Hintergrund wurde im PV-Park Himmighausen ein Einzelstring-Monitoring über die Hall-Sensorik der Messmodule von Phoenix Contact realisiert, die in jedem GAK installiert sind.

<p>Die aufgenommenen Werte werden an den Datenlogger als Funktion auf dem EZA-Regler übertragen und dort zur Weiterleitung in ein geeignetes Betriebsführungsportal aggregiert. Die Versorgung der Mess- und Kommunikationsmodule erfolgt direkt aus dem String über DC/DC-Wandler, die aus der Stringspannung von 1000 V die Versorgungsspannung von 24 V erzeugen.

Nach zweieinhalbjährigem Betrieb wird der CO₂-Fußabdruck der PV-Anlage positiv sein. Das bedeutet, dass die produktionsbedingten CO₂-Emissionen für die Module, Wechselrichter und sämtliches Material kompensiert sind und die PV-Anlage ab jetzt bei einem zugrunde gelegten Wert von 380 g CO₂ / kWh im deutschen Strommix insgesamt 4560 t CO₂ / Jahr einspart. Vor der Errichtung des Solarparks wurde auf dem eher schlechten Boden unter anderem Energiemais angebaut. Abgesehen von der geringen Bodenqualität erweist sich der Energieertrag pro Flächeneinheit bei der PV-Nutzung um den Faktor 25 größer als bei einer Biogasanlage. Will heißen, um die gleiche Menge an Energie ernten zu können, benötigt Biogas eine 25 Mal größere Fläche.

Autor

Burkhard Dittmann, System Sales Renewable Energies, Phoenix Contact Deutschland GmbH, Blomberg