25.02.2015

Regenerative Energieerzeugungsanlagen

Grid Monitoring and Protection Controller

Die Betrachtung des strukturellen Wandels der Energielandschaft in den letzten Jahrzehnten im gesamten europäischen Raum zeigt, dass sich die Einspeisestruktur des Stromnetzes nachhaltig verändert hat. So ist die Zahl der dezentralen Erzeugungsanlagen, die Energie in das Netz liefern, erheblich gestiegen. Ein Ende dieser Entwicklung zeichnet sich bislang nicht ab.

Autor: Philipp Dauer, PHOENIX CONTACT Electronics GmbH.


Bild 1: Insbesondere im Bereich der Niederspannungsnetze wird die Leistungsbilanzierung zunehmend schwieriger und der Aufwand für einen stabilen Netzbetrieb steigt immer weiter an.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Als treibende Kraft dieses Umbruchs erweist sich das subventionsorientierte Marktmodell der europäischen Regierungen. Ansätze wie das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) zielen darauf ab, die konventionelle Energiegewinnung schrittweise durch erneuerbare Energiequellen zu ersetzen. Neben positiven Effekten wie der zunehmenden Unabhängigkeit von importiertem Erdöl, -gas und Kohle werden jedoch neue technische Herausforderungen geschaffen. Beispielsweise erhöht sich der Aufwand zur Sicherstellung eines stabilen Netzbetriebs, um die gewonnene Energie zuverlässig sowie mit hoher Qualität zu den Verbrauchern zu transportieren. Aus Sicht des Netzbetreibers muss im Netz ein Leistungsgleichgewicht zwischen Erzeugern und Verbrauchern hergestellt werden. Ansonsten steigt oder fällt die Netzfrequenz, was zu Schäden an den angeschlossenen Netzteilnehmern führen kann. Darüber hinaus hat die Spannung in einem definierten Toleranzband zu liegen. Ist dies nicht der Fall, könnten der komplette Leistungstransport oder die Netzteilnehmer nicht mehr bestimmungsgemäß funktionieren. Deshalb erweist es sich als wichtig, entsprechend der Verbraucher- und Erzeugerstruktur des jeweiligen Netzes induktive oder kapazitive Blindleistung zur Verfügung zu stellen, damit das Spannungsniveau gehalten wird.

Statistische Fehler ausregeln

Die meisten Energieerzeugungsanlagen, die elektrischen Strom aus erneuerbaren Ressourcen gewinnen, speisen diesen in das Mittel- oder Niederspannungsnetz ein. Eine Ausnahme bilden große Windparks, die durchaus auf Höchstspannungsebene arbeiten. Windenergie- und auch Photovoltaikanlagen hängen von der fluktuierenden Leistung des Windes respektive der Sonneneinstrahlung ab, weshalb die eingespeiste Leistung kaum vorhersagbar ist. Hinzu kommt, dass der aus erneuerbaren Energien gewonnene Strom aufgrund gesetzlicher Bestimmungen vorrangig in das Netz eingespeist werden muss. Der Netzbetreiber hat den Einsatz der konventionellen Energieerzeugungsanlagen also so zu planen, dass sich ein Leistungsgleichgewicht einstellt. Dabei kann er lediglich auf statistische Daten der zu erwartenden Stromproduktion aus Wind- und Sonnenenergie zurückgreifen. Diese sind naturgemäß mit einem gewissen Fehler behaftet, den die Netzbetriebsführung ausregeln muss. Zu beachten ist außerdem, dass die Windenergie- und Photovoltaikanlagen oftmals Umrichter-gebunden in das Netz liefern und deshalb mechanisch vom Netz entkoppelt sind. Sie tragen somit nicht zum Selbstregeleffekt des Netzes bei, sondern verstärken die Frequenzregel-Problematik. Auf der anderen Seite eröffnen Umrichter die Möglichkeit, mit hohem Freiheitsgrad netzstützend zu wirken, wenn ihre Frequenz respektive Blindleistung entsprechend eingestellt wird. Das gelingt jedoch nur, sofern die expliziten Anforderungen an das Umrichterverhalten in den relevanten Normen verankert sind.

Energieerzeugungsanlagen müssen über Eigenintelligenz verfügen

Vor dem Hintergrund der vorhergehenden Erläuterungen steht die Betriebsführung eines Stromnetzes im modernen Energiemix vor einigen Herausforderungen. Die Netze müssen daher immer intelligenter werden. Über die Kommunikationsschnittstellen sollen die Erzeugungsanlagen umfassende Informationen hinsichtlich ihres aktuellen Status an die Netzbetriebsführung übermittelt. Umgekehrt empfangen sie Sollwerte vom Netzbetreiber. Als wesentliche Normen seien hier die IEC61850 und die IEC60870-104 genannt. Sie sind insbesondere für Energieerzeugungsanlagen interessant, die in das Mittelspannungsnetz einspeisen. Zusätzlich zu den beschriebenen Anforderungen wird von den Anlagen eine gewisse Eigenintelligenz zur Stützung des Netzes verlangt, die ein bestimmtes Verhalten vorschreibt. Das gilt besonders für Anlagen, welche in das stärker verzweigte Niederspannungsnetz liefern und damit eine Leistung von maximal einem Megawatt haben. Im Niederspannungsnetz lassen sich Leistungsflussbilanzen schwerer als im Mittelspannungsnetz erstellen. Dies liegt neben der starken Verzweigung darin begründet, weil die Zahl der Erzeuger und Verbraucher erheblich größer ist. Deshalb erweist es sich als wichtig, dass grundsätzliche Anforderungen an die Drehstrom-Einspeisung von Umrichter-basierten Erzeugungsanlagen gestellt werden. Mit der VDE-AR-N 4105:2011-08 steht seit dem 01. August 2011 eine entsprechende Richtlinie zur Verfügung, die Planungs- und Handlungssicherheit bietet sowie die eingangs aufgelisteten Maßnahmen normativ bündelt und ein genau definiertes Anlagenverhalten bewirkt.

NA-Schutz stellt kurze Reaktionszeit auf Netzfehler sicher

Die Richtlinie VDE-AR-N 4105:2011-08 ist darüber hinaus Bestandteil der technischen Anschlussbedingungen der Netzbetreiber (TAB), die gesetzlich verpflichtend einzuhalten sind. Vor diesem Hintergrund ist die VDE-AR-N 4105 selbst ebenfalls rechtlich für alle Energieerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz bindend. Die Richtlinie legt unter anderem eine gezielte Blindleistungsabgabe der Anlagen fest und zwingt sie, die Wirkleistungsabgabe ab einer Frequenz von 50,2Hz zu reduzieren, um die Netzstabilität zu unterstützen. Darüber hinaus sieht die VDE-AR-N 4105 den Einsatz eines typgeprüften Netz- und Anlagenschutzes (NA-Schutz) für Energieerzeugungsanlagen im Parallelbetrieb mit Konformitätsnachweis vor. Der NA-Schutz darf nur dann zulassen, dass die Energieerzeugungsanlage am Netz verbleibt, wenn sich sowohl Spannung als auch Frequenz in einem definierten Toleranzband befinden. Dabei hat er sicherzustellen, dass die Reaktionszeit auf Netzfehler - vom Auftreten des Fehlers über die Messung bis zur galvanischen Trennung der Energieerzeugungsanlage vom Netz durch den Kuppelschalter - weniger als 200ms beträgt. Beim NA-Schutz handelt es sich somit um ein intelligentes Sicherheitsrelais, das die Netzfrequenz und Spannung erfasst, auswertet und im Fall eines Fehlers eine Netztrennung durch den Kuppelschalter vornimmt. Allerdings werden einige spezielle Anforderungen an den NA-Schutz gestellt, die neben dem einzuhaltenden Toleranzband für Spannung und Frequenz zu berücksichtigen sind.

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Messwerte via Profinet oder Modbus TCP

Der NA-Schutz kann bis zu einer maximalen Scheinleistung von 30kVA integriert ausgeführt werden, also beispielsweise in den Umrichter eingebaut sein. Umfassen die Anlagen eine größere Scheinleistung, muss am zentralen Zählerplatz ein NA-Schutz eingeplant werden, der als eigenständiges Betriebsmittel umzusetzen ist. Gemessen wird netzseitig. Die Netztrennung erfolgt durch zwei redundante, in Reihe verschaltete Kuppelschalter, wobei mindestens ein Schalter als Motorschalter realisiert ist und beide Kuppelschalter über Rücklesekontakte verfügen sollten. Außerdem muss der NA-Schutz dem Kriterium der Einfehlersicherheit genügen. Ferner sind ein Passwortschutz und eine Testauslösefunktion notwendig. Schließlich erfordert die Vorrichtung einen Fehlerspeicher sowie die Möglichkeit, dass der Netzbetreiber einzelne Parameter anpassen kann. Phoenix Contact hat diese Anforderungen in eine Lösung überführt, die dem Anlagenbetreiber neben der Netzschutzfunktion einen echten Mehrwert bietet. Der Grid Monitoring and Protection Controller (GMPC), der die Vorgaben der VDE-AR-N 4105 erfüllt, stellt der Anlagensteuerung die Messwerte sowohl via Profinet als auch über Modbus TCP zur Verfügung. Zudem erhalten die Betreiber von Blockheizkraftwerken die Möglichkeit, die Netzsynchronisation des Synchrongenerators über ein Ansteckmodul auszuführen.

Komponenten werden nach dem Plug&Play-Prinzip kombiniert

Prinzipiell stellt der Grid Monitoring and Protection Controller eine modulare Lösung dar, die aus verschiedenen Komponenten des breiten Produkt-Portfolios von Phoenix Contact besteht. Dazu gehören eine SD-Karte mit einer speziellen Software sowie eine Kleinsteuerung ILC 191 ETH 2TX zur VDE-AR-N-4105-konformen Auswertung der gemessenen Netzkenngrößen, die über das Funktionsmodul IB IL PM 3P/N/EF-PAC aus dem Inline-I/O-Baukasten erfasst werden. Abgerundet wird die Lösung durch eine digitale Inline-Ausgangsklemme IB IL 24 DO8/HD-PAC für die Ansteuerung der Kuppelschalter sowie im Bedarfsfall durch ein zweites Funktionsmodul zur Netzmessung, falls die Funktion zur Netzsynchronisation von Synchrongeneratoren benötigt wird. Nachdem die Komponenten nach dem Plug&Play-Prinzip zusammengesteckt worden sind, ist lediglich ein handelsüblicher PC mit Ethernet-Schnittstelle und Firefox-Browser ab Version 24.00 zur Inbetriebnahme des NA-Schutzes erforderlich. Der Grid Monitoring and Protection Controller erlaubt ferner die Messung von Strömen bis fünf Ampere respektive den Anschluss von Stromwandlern, um die Energie aufzunehmen. Die Daten können dann via Profinet oder Modbus TCP an die Anlagensteuerung weitergeleitet und dort verarbeitet werden.

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