26.02.2024

Einspeisemanagement 2.0: EZA-Regler mit Zusatzfunktionen Phoenix Contact bietet eine zertifizierte Lösung für Photovoltaikanlagen.

Blick auf einen Solarpark mit Hunderten Solarmodulen

Kurzfassung

Netzbetreiber sind verpflichtet, möglichst viel regenerativ erzeugte Energie in das Netz einzuspeisen, wobei die Netzstabilität nicht gefährdet werden darf. Zur Steuerung und Regelung der Wirk- und Blindleistung kommen daher EZA-Regler, also Regeleinheiten für Energieerzeugungsanlagen, zum Einsatz. Die zertifizierten Geräte von Phoenix Contact können dank der zugrunde liegenden PLCnext Technology noch mehr.

Systemübersicht einer PV-Anlage mit Einspeisemanagement

Energieerzeugung und Netzqualität: Eine Herausforderung für die Energiewende

Laut Bundesministerium für Wirtschaft und Energie stellen erneuerbare Energien die wichtigste Stromquelle in Deutschland dar. Als zentrale Säule der Energiewende wächst ihr Anteil am Stromverbrauch beständig: von rund 6 % im Jahr 2000 auf 46 % im Jahr 2022. Ende 2022 produzierten etwa 2,6 Mio. Photovoltaikanlagen (PV) als Teil der erneuerbaren Energien rund 66 GW Leistung. Der stetige Anstieg der installierten PV sowohl im Nieder- als auch im Mittelspannungsnetz bringt jedoch erhebliche Herausforderungen mit sich. Denn die dezentralen Energieerzeugungsanlagen müssen ebenfalls ihren Beitrag zur Sicherung der Netzqualität leisten.

Als relevante Parameter für deren Bewertung werden die Frequenz und Spannung herangezogen. Die Netzfrequenz hängt von der Wirkleistungsbilanz des Netzes ab. Speisen die Erzeuger mehr Wirkleistung in das Netz ein, als die Verbraucher benötigen, erhöht sich die Netzfrequenz. Die Netzspannung wird hingegen von der Blindleistungsbilanz des Netzes beeinflusst. Wenn hier der Bedarf an Blindleistung wächst, führt das zu einer Reduzierung der Netzspannung.

Technische und regulatorische Voraussetzungen

Häufig wird dezentralen Energieerzeugungsanlagen nachgesagt, dass sie deutlich negativ auf die Netzqualität einwirken. Das resultiert hauptsächlich daraus, weil äußere Bedingungen wie Wind oder Sonne, die die Leistung der Anlagen maßgeblich bestimmen, weder steuerbar noch ausreichend planbar sind. Dabei wird vergessen, dass diese Anlagen schon heute die technischen Voraussetzungen bieten, um die Netzfrequenz ebenso wie die Netzspannung zu stabilisieren. Wenn der Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch mittelfristig noch erheblich steigen soll, ist zweifelsohne ein massiver Ausbau von Energiespeichern notwendig.

Neben der Energieerzeugung sind in der Energieverteilung auch allgemeine Aufgabenstellungen zu lösen. So geht die Liberalisierung der Strommärkte verstärkt mit einer grenzübergreifenden Energieübertragung einher. Als logische Konsequenz wurden im sogenannten „Network Code – Requirements for Generators“ europäische Vorgaben verabschiedet. Der Network Code beschreibt die Regeln des Netzanschlusses, denen die in Europa installierten Energieerzeugungsanlagen unterliegen. Damit der bestmögliche Nutzen erzielt wird, ist er an die lokalen Gegebenheiten der einzelnen Länder anzupassen.

Gültigkeit für die meisten kommerziellen Anlagen

Vor diesem Hintergrund hat der VDE (Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik) im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie vier nationale Anwendungsregeln für sämtliche Spannungsebenen ausgearbeitet. Als eine der Richtlinien löst die VDE-AR-N 4110 „Technische Anschlussregeln Mittelspannung“ die BDEW-Mittelspannungsrichtlinie (Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft) ab. Die VDE-AR-N 4110 ist seit April 2019 für alle neu in Betrieb zu setzenden Energieerzeugungsanlagen ab einer Anlagenleistung von 135 kW und einem Spannungsbereich von 1 bis 60 kV verpflichtend einzuhalten. Die Anwendungsregel betrifft somit die meisten kommerziellen PV-Anlagen.

Ein Teilaspekt der VDE-AR-N 4110/20 behandelt die Einsatzpflicht von ausschließlich zertifizierten Einspeisemanagementreglern. Die EZA-Regler sorgen dafür, dass die Sollwerte für die Wirk- oder Blindleistung sowie die vorgegebenen Regelverfahren am Netzanschlusspunkt befolgt werden. Die Festlegung der Sollwerte geschieht entweder durch Dritte – den Netzbetreiber oder Direktvermarkter – über die Fernwirktechnik oder im Rahmen von Kennlinien, die in der VDE-AR-N 4110/20 definiert sind.

Komplette Schaltgerätekombination inklusive zertifiziertem EZA-Regler von Phoenix Contact

Zertifizierung eigener Lösungen aufwendig

Für die Zertifizierung der elektrischen Eigenschaften von EZA-Reglern ist die FGW TR8 als maßgebliche Richtlinie anzuwenden. Hinsichtlich der Messung und des Tests dieser elektrischen Eigenschaften muss die FGW TR3 herangezogen werden. Die Modellierung und Validierung von Simulationsmodellen der elektrischen Eigenschaften unterliegen schließlich der FGW TR4.

Um das sogenannte Komponentenzertifikat für EZA-Regler zu erlangen, erweist sich der Aufwand als intensiv, sowohl in technischer als auch finanzieller Hinsicht. Insbesondere in der Photovoltaik mit einem in Deutschland stark fragmentierten Markt wird sich die Zertifizierung von eigens entwickelten Reglern für den Großteil der Anlagenerrichter nicht rechnen. Ein Aspekt, der mindestens genauso wichtig sein dürfte wie die Konformität in Bezug auf die Anschlussrichtlinie, ist die flexible Nutzung des Reglers.

Viele Funktionen in einem Gerät

Vor diesem Hintergrund hat sich Phoenix Contact schon vor der Zertifizierung mit der Frage auseinandergesetzt, wie einerseits die Normenkonformität sichergestellt werden kann, ohne andererseits auf die vielfältigen Möglichkeiten der der Lösung zugrunde liegenden Industriesteuerung verzichten zu müssen. Denn als Hardware wird die aktuelle SPS-Generation auf Basis der offenen PLCnext Technology verwendet.

Die Technologie ermöglicht nicht nur den Einsatz unterschiedlicher Programmiersprachen – wie IEC 61131, C/C++, C# oder Matlab/Simulink – in einem Projekt. Die Kombination verschiedener Funktionen in einem Gerät ist ebenfalls möglich. Phoenix Contact liefert den Anwendenden hier keine All-in-One-Lösung, sondern adressiert gezielt Nutzende, die über die erforderlichen System- und Programmierkenntnisse für ihre Applikation verfügen. In ersten Projekten wurde z. B. neben der zertifizierten Regelfunktion auf derselben Industriesteuerung eine Fernwirkanbindung umgesetzt. Ein solcher Ansatz zeigt sich als kostengünstig und platzsparend, da für diese Aufgabenstellung in der Regel zwei separate Geräte genutzt werden.

Topologie einer Steuerung mit PLCnext Technology

Die PLCnext-Steuerung ermöglicht die Entwicklung von Programmcode mit unterschiedlichen Software-Tools und sogar eine parallele Ausführung auf dem Gerät

Applikationsbeispiel zur einfachen Inbetriebnahme

Um die Kunden bei der Inbetriebnahme der oben beschriebenen Lösung zu unterstützen, stellt Phoenix Contact ein Applikationsbeispiel zur Ankopplung der Fernwirktechnik inklusive einer Webanwendung zur Parametrierung des EZA-Reglers zur Verfügung. Bis auf die Implementierung der jeweiligen anforderungsspezifischen Schnittstellen sind also keine weiteren Anpassungen vorzunehmen. Zusätzliche Funktionen können jedoch nach Bedarf hinzugefügt werden. Der Regelmodus, die Konfiguration der Standard-PID-Reglerparameter, die Einstellung von Kennlinien-Stützpunkten, das Hinterlegen von Bitmustern für den Rundsteuerempfänger oder die Aufzeichnung sämtlicher wesentlichen Netz- und Reglerparameter bei der Erstinbetriebnahme sind Teil dieser Applikation.

Zur Umsetzung der anforderungsspezifischen Schnittstellen des EZA-Reglers bietet Phoenix Contact außerdem weitere Funktionsbaustein-Bibliotheken an. Sie umfassen u. a. Bausteine zur Einbindung dezentraler Anlagen über die Fernwirktechnik. Darüber hinaus vereinfachen photovoltaikspezifische Funktionsbausteine die Kommunikation mit Wechselrichtern, Energiemessgeräten oder die Ankopplung an ein herstellerunabhängiges Portal.