Effiziente Steuerung von Photovoltaik-Kraftwerken

Kleine Ursache, große Wirkung

Das 40MW-Umspannwerk wurde eigens für den Jura-Solarpark gebaut

Das 40 MW-Umspannwerk

Die Sonne lässt sich profitabel zur Energieversorgung nutzen. Davon zeugen mittlerweile unzählige PV-Anlagen auf privaten Dächern. In Deutschland sind in den vergangenen Jahren aber auch zahlreiche PV-Kraftwerke im Multimegawatt-Bereich entstanden. Ein besonderes Beispiel dafür ist der bayerische Jura-Solarpark. Wie jedes Kraftwerk muss auch dieses PV-Kraftwerk in seinem Betrieb vom Netzbetreiber ferngesteuert werden können. Im Jura-Solarpark wandeln Kleinsteuerungen von Phoenix Contact die Sollwert-Vorgaben des Energieversorgungsunternehmens (EVU) in entsprechende Steuersignale um. Mit dem so realisierten Einspeisemanagement und der Bereitstellung von Blindleistung trägt das Kraftwerk zur Sicherheit und Stabilität der Energieversorgung bei.
 

Applikation

Fossile Energiequellen wie Erdöl und Kohle werden immer knapper. Das gilt auch für die zum Betrieb von Atomkraftwerken notwendigen Uranvorkommen. Hinzu kommt der Beschluss der Bundesregierung zum Ausstieg aus der Kernenergie. Vor diesem Hintergrund engagieren sich weltweit immer mehr Unternehmen im Bereich der regenerativen Energien wie Windkraft und Photovoltaik. In Deutschland wird dabei nicht nur in Windenergieanlagen investiert. In den letzten Jahren sind viele Solarparks gebaut worden, obwohl die Bundesrepublik aufgrund ihrer geografischen Lage nicht unbedingt die allererste Wahl für Sonnenenergie ist. Dennoch gibt es nahezu flächendeckend genügend Regionen, in denen PV-Anlagen zur profitablen Energieerzeugung installiert werden können.

Lösung

Solarenergie wird in das eigene Umspannwerk eingespeist

Am 16. Juni 2011 begann mit einem symbolischen Spatenstich der Bau des größten PV-Projektes des Jahres in Bayern. Diese so genannten Jura-Solarparks des Photovoltaik-Spezialisten IBC Solar AG wurden in insgesamt sechs Teilflächen untergliedert, die im Dezember 2011 termingerecht betriebsbereit waren. Sie liefern bereits eine Nennleistung von rund 28,5 Megawatt/Peak (MWp). Am 19. April 2012 nahm dann das eigens für dieses Projekt errichtete Umspannwerk seine Arbeit auf. Auf einer Gesamtfläche von etwa 80 Hektar entlang eines Korridors von 110 Meter zur Autobahn A70 Bamberg/Bayreuth erzeugen 145.000 Solarmodule genügend Energie, um 7800 Durchschnitts-Haushalte mit Klima-schonendem Solarstrom zu versorgen. Die Bürger der Region haben sogar die Möglichkeit, sich in Form von Solarfonds an den Parks zu beteiligen und von den Erträgen zu profitieren.

 

40 MWp Energie in der Endausbaustufe 

Im Endausbau soll der Solarpark 40 MWp Energie produzieren und aus acht separaten Teilflächen bestehen, die in das eigens für das Projekt erbaute Umspannwerk einspeisen. Die Neuerrichtung des Umspannwerks bot sich an, weil in der Nähe des Parks eine 110kV-Trasse verläuft. Die Effektivität der Gesamtanlage steigt durch geringere Leitungsverluste, ein Netzausbau seitens des EVU war nicht notwendig. Der Betreiber spart daher zusätzliche Investitionen für das Verlegen von Erdkabeln bis zum nächsten Umspannwerk ein. Auf den Neubau sind die Mitarbeiter stolz. Thomas Reuter, bei IBC Solar im Bereich Technical Department PV-Projects tätig, stellt fest: „Aufgrund der hohen Kapazität des Solarparks wurde eigens ein Umspannwerk gebaut. Alle anfallenden Kosten hierfür hat IBC Solar getragen und der Netzanschluss konnte direkt an der vorhandenen 110kV-Hochspannungsleitung zwischen Kulmbach und Würgau erfolgen. Auf dem Gelände des Umspannwerks befindet sich auch die zentrale Steuerung, die für das Parkmanagement verantwortlich ist und den Betreiber mit allen wichtigen Daten beliefert“.

Wechselrichter stellen die relevanten Parameter anforderungsgerecht ein

Wo die Sonne scheint, ist auch Schatten. Die Herausforderung, der sich Energieversorger bei der Nutzung regenerativer Energiequellen gegenübersehen, ist offensichtlich: Obwohl und gerade weil sich die durch Wind oder Sonne produzierte Energiemenge mittlerweile sehr gut vorhersagen lässt, müssen alle großen und mittleren PV-Anlagen sowie auch immer mehr kleine, private Anlagen vom Energieversorger gesteuert werden können. Mögliche Überangebote von regenerativen Energien müssen im Bedarfsfall reduziert werden können, damit die Netzstabilität nicht gefährdet wird. An dieser Stelle kommen die Kleinsteuerungen ILC 1xx der 100er Leistungsklasse von Phoenix Contact ins Spiel.
Das EVU ist mit dem Gerät in der Lage, sowohl die abgegebene Leistung als auch den Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom – den so genannten Cos Phi – vorzugeben. Auf diese Weise sind die Gesamtleistung sowie die Wirk- respektive Blindkomponente der Leistung steuerbar.
Das ist wichtig, da konventionelle Großkraftwerke den schnellen Änderungen bei der zur Verfügung stehenden Energie nicht folgen können. An einem verregneten Mittag müssen beispielsweise viele Kraftwerke ans Netz gehen, um den durch das Kochen verursachten erhöhten Strombedarf zu decken. Reißt die Wolkendecke allerdings plötzlich auf, liefert der Solarpark sofort die volle Energie, was das Stromnetz destabilisieren könnte, wäre er – im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Kraftwerken – nicht so gut regelbar. Kraftwerke müssen daher langsam abgeregelt und Solarparks im Gegenzug entsprechend hochgefahren werden. Diese Vorgabe des EVU ist auf den acht einzelnen Teilflächen und in den jeweiligen Wechselrichter des Jura-Solarparks realisiert. Jeder Wechselrichter auf jeder Teilfläche setzt die entscheidenden Kommandos so um, dass die Solarenergie gemäß den Vorstellungen des EVU eingespeist wird. Eine Fähigkeit, die allen Stromkonsumenten zu Gute kommt.

Schematische Darstellung des Jura-Solarparks  

Schematische Darstellung des Jura-Solarparks

Kleinsteuerung wandelt Sollwert-Vorgaben in Steuersignale um

Der Betreiber wird stets über den aktuellen Anlagenstatus, die Effizienz der Panels sowie über die kumulierte eingespeiste Leistung informiert. Zu diesem Zweck lassen sich Daten aus den Wechselrichtern auslesen. Jede der derzeit sechs Teilflächen mit dezentraler Anlagenarchitektur besteht aus mehreren tausend 230-Watt-Solarpanels, die zu Wechselrichter-Bänken zusammengefasst sind. Die Bänke setzen sich jeweils aus etwa acht Wechselrichtern SMA Sunny Tripower mit einer Leistung von je 17 kW zusammen. Bis zu 50 Wechselrichter sind seriell mit einer SMA Sunny WebBox verbunden, welche die Datenlogger-Funktion sowie die Kommunikationsschnittstelle für die übergeordnete Steuerung bietet. In einem Teilsegment des Jura-Solarparks mit zentraler Architektur beinhaltet jeder der Sunny Central CP-Zentralwechselrichter jeweils eine Sunny WebBox.
Die Sunny WebBoxen des Niestetaler Wechselrichter-Herstelles SMA Solar Technology AG kommunizieren über ein Glasfaser-Netzwerk mit der Kleinsteuerung ILC 170 ETH 2TX von Phoenix Contact. Der Inline Controller wandelt die Sollwert-Vorgaben des EVU, die als analoger 4…20mA-Wert zur Verfügung gestellt werden, in Steuersignale für die Wechselrichter um. Dazu werden die Steuersignale als Kommandos an die Sunny WebBoxen und damit an die Wechselrichter übertragen.

„Das Besondere am Jura-Solarpark ist, dass hier über 20 Kilometer Glasfaser-Leitungen verlegt worden sind, um alle Netzwerk-Komponenten anzukoppeln. Auf diese Weise können wir von der Zentrale aus jeden Wechselrichter ansprechen“, erläutert der IBC-Mitarbeiter Thomas Reuter. Außerdem kann der ILC 170 ETH 2TX wichtige Betriebsdaten der Anlage und der Wechselrichter auslesen und loggen. Die Daten werden dem Betreiber dann auf Wunsch über ein GSM/GPRS-Modem als Webseite oder als Tabelle zugeschickt, die er sich direkt auf seinem PC ansehen und auswerten kann. Die Kleinsteuerungen von Phoenix Contact erweisen sich als bestens für diese Aufgabe geeignet. Denn sie verfügen serienmäßig über eine frei programmierbare Ethernet-Schnittstelle und über einfach zu bedienende Bibliotheken, die in die Applikation integriert werden können. Außerdem überzeugt das Steuerungskonzept durch seine flexible Erweiterbarkeit an geänderte Anforderungen sowie die große Anzahl an aneinander reihbaren I/O-Modulen, die viele benötigte Funktionen abdecken. Im Jura-Solarpark kommen zum Beispiel analoge Eingangsmodule zum Einsatz, die den vom EVU vorgegebenen Sollwert direkt auswerten. Eine RS-485-Klemme ermöglicht den Anschluss des GSM/GPRS-Modems, um die Ertragsdaten an die Betreiber weiterzuleiten und die Anlage unabhängig vom Kabelnetz auch aus der Ferne warten zu können.

Neue Kleinsteuerungen für die einfache Vernetzung von Automatisierungskomponenten

Phoenix Contact hat sein Kleinsteuerungs-Portfolio um fünf weitere Geräte ausgebaut. Bei der neuen Baureihe ILC 1x1 handelt es sich um die logische Weiterentwicklung der bewährten Inline Controller der 100er Leistungsklasse. Allerdings verfügt jetzt auch das Einstiegs-Gerät ILC 131 ETH über einen eingebauten SD-Karten-Slot, weshalb es sich bestens für Daten-Logging-Applikationen eignet. Darüber hinaus wurde ein Modbus/TCP-Client direkt in die Firmware und das Engineering integriert, um eine noch einfachere Vernetzung von Automatisierungs-Komponenten zu ermöglichen.

Fazit

Während der ILC 151 ETH einen Ethernet-Port bietet, sind in den ILC 171 ETH 2TX und den ILC 191 ETH 2TX je zwei Ethernet-Schnittstellen implementiert, die als Profinet-Device konfiguriert werden können. Der ILC 191 ETH 2TX zeichnet sich außerdem durch eine eingebaute Fließkomma-Einheit aus, die eine hohe Rechenleistung erlaubt. Die Gerätevarianten ILC 131 ETH/XC und ILC 151 ETH/XC sind für einen erweiterten Temperaturbereich von -40°C bis 60°C konzipiert. Seit Ende 2012 ist der ILC 151 GSM/GPRS mit integriertem GSM/GPRS-Modem und SD-Karten-Slot erhältlich.

PHOENIX CONTACT
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