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Photovoltaik mit Strahlkraft

Bild 1. Unterstützen die Fernwirkprotokolle nach DIN EN 60870-5-101/-104 und DIN EN 61850: die Fernwirk­controller 750-872 und 750-880/025-001 sowie die Fern­wirk-IPC 758-874 und 758-875 von Wago

Bild 2. Automatisierungssysteme, wie das Wago-I/O-System, übernehmen in Smart Grids zentrale Funktionen bei der Regulierung des Energieflusses entsprechend Angebot und Nachfrage

Bild 3. Mit den in Codesys integrierten Konfigurations­werkzeugen für die DIN EN 60870-4-101/-104 und die DIN EN 61850 werden alle Einstellungen per Parametrierung vorgenommen

Die Energiewende ist beschlossene Sache. Damit sie gelingt und zukünftig auf Kohle, Uran und Co. verstärkt verzichtet werden kann, reicht der bloße Netzausbau jedoch nicht aus. Erneuerbare Energiequellen müssen weitaus effizienter genutzt werden, vor allem dann, wenn wie bei Photovoltaik ihr Wirkungsgrad gering ist. Die Grundlage dazu schafft neben der kontinuierlichen Überwachung der Module und Wechselrichter die Integration der PV-Anlagen in intelligente Stromnetze.

Wenn dezentrale Energieerzeuger mit geringer Leistung zu einem sogenannten virtuellen Kraftwerk zusammen­geschlossen werden, hat das entscheidende Vorteile. Zen­tral gemanagt sind kleine Wind- und Wasserkraftanlagen, Blockheizkraftwerke, Biogas- und eben auch Photovol­taikanlagen durchaus in der Lage, die disponible Leistung aus Großkraftwerken zu ersetzen. Temporäre Schwankungen im Stromnetz ließen sich durch die Bereitstellung der Kraftwerksleistung ausgleichen. Die Bündelung dezentraler Energieerzeuger führt dazu, dass sie nach außen wie eine einzige Anlage auftreten. Ihre zusammengefasste Gesamtleistung wird damit auch an der Strombörse handelbar. Die erzeugte Energie kann von Stromhändlern vermarktet werden, was bei Einzelanlagen sonst nicht immer lohnenswert ist.
Mit dem alleinigen Zusammenschluss von Energieproduzenten ist es allerdings noch nicht getan. Erst dann, wenn die Netzbetreiber auch regulierenden Einfluss nehmen können, lässt sich eine effiziente und stabile Versorgung aufbauen. Eine der momentan dringendsten Heraus­forderungen ist, dass die vielen Tausend, meist privaten PV-Anlagen direkt in das Netz einspeisen. In Spitzenzeiten entsteht so nicht selten ein Energieüberhang, der aufgrund fehlender Speichermöglichkeiten zu Instabilität führt. In einem solchen Fall müssen die virtuellen Kraftwerke für den Netzbetreiber steuerbar sein; laut Energieeinspeisegesetz ist dafür eine stufenweise Leistungsreduzierung vorgesehen: auf 0 %, 30 % und 60 %. Technische Voraussetzung für eine solche Regulierung ist der Rückgriff auf den dezentralen Energieversorger. Die sogenannten Smart Grids bilden die kommunikative Grundlage zur Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln.

Vom einfachen Netz zum intelligenten Netzwerk
Damit aus einem einfachen Leitungsverbund ein intelligentes Netzwerk wird, muss es um Automatisierungssysteme erweitert werden. Sie übernehmen die zentralen Funktionen bei der Regulierung des Energieflusses entsprechend Angebot und Nachfrage. Um mit den Stromerzeugern und den Netzbetreibern kommunizieren zu können, wird auf Fernwirkprotokolle zurückgegriffen, die sich über Jahrzehnte hinweg etabliert haben. Zu ihnen gehören solche, die in der DIN EN 60870-5-101 für die serielle und in der DIN EN 60870-5-104 für die IP-basierte Kommunikation, definiert sind. Im Gegensatz zum signalorientierten Datenmodell dieser Normenreihe wird in der DIN EN 61850 objektorientiert vorgegangen; sie wurde 2004 als Standardkommunikation veröffentlicht.
Für die Integration von PV-Anlagen in Smart Grids und für das permanente Monitoring müssen verschiedene Ein- und Ausgangsparameter übertragen werden. Um an dieser Stelle die Kommunikation mit der Leitstelle möglichst einfach zu gestalten, hat Wago seine Steuerungen entsprechend weiterentwickelt: Sie bieten auf Basis der Fernwirkprotokolle nach DIN EN 60870-5-101 /-104 und DIN EN 61850 eine normierte und einfach anwendbare Schnittstelle für den Anwender (Bild 1). Innerhalb des Wago-I/O-Systems (Bild 2) stehen mehr als 400 Ein- und Ausgangsmodule für den Einsatz in der Feldebene zur Verfügung. Zu ihnen gehören auch diverse Spezialklemmen, darunter die 3-Phasen-Leistungsmessklemme zur energetischen Überwachung von Transformatorsta­tionen oder serielle Busklemmen zur Anbindung von S0-Zählern, M-Bus-Zählern und Stromsensoren.
Fernwirkcontroller oder Industrie-PC übernehmen die Kommunikation zwischen Feld- und Leitebene. Die SPS übertragen alle relevanten Messwerte, wie Strom, Spannung oder (Blind-)Leistung, und empfangen die Schaltbefehle von der übergeordneten Leitstelle, die dann von den angereihten Ein- und Ausgangsmodulen ausgeführt werden. Die konkreten Automatisierungsaufgaben werden in den Steuerungen nach DIN EN 61131-3 mit Codesys definiert. Hierzu ist für die Fernwirkprotokolle nach DIN EN 60870-4-102 /-104 und DIN EN 61850 jeweils eine Konfigurationsoberfläche in der Codesys-Entwicklungsumgebung integriert (Bild 3). Dadurch entfällt für den Anwender die Programmierarbeit, weil die gesamte DIN-EN-Kommunikation parametriert werden kann.

PV-Anlagen überwachen
Wie eine solche Automatisierungsaufgabe im Einzelnen aussieht, hängt naturgemäß von den jeweiligen Gegebenheiten ab. Der grundsätzliche Aufbau zur Überwachung einer Photovoltaikanlage ist jedoch ähnlich. Um beispielsweise in einem Solarpark die Module und Wechselrichter kontinuierlich zu monitoren, werden Stromsensoren in den Generatoranschlusskästen installiert. Dort messen sie den Gleichstrom jeder Stringleitung und übermitteln die Werte via Modbus an die Steuerung. Die Stromsensoren von Wago sind für Messbereiche von 0 A bis 80 A sowie von 0 A bis 140 A ausgelegt und werden direkt auf die Tragschiene DIN 35 aufgerastet. Die Einzelstrangüberwachung bildet die Grundlage für weitere Auswertungen: Anhand der stets aktuellen Stromdaten ermittelt das Wago-I/O-System unter anderem die Leistung und den Wirkungsgrad der gesamten Anlage und kann Trendverläufe visuell darstellen.
Die Fernwirkcontroller und Industrie-PC ermöglichen zudem den Aufbau von Nachführungssystemen. Beim sogenannten Tracking richten sich die Photovoltaikmodule entsprechend dem Sonnenstand aus – entweder auf Grundlage von astronomischen Daten oder anhand der tatsächlichen Witterungsbedingungen. Dazu erfasst die Steuerung über analoge und digitale Eingangsklemmen die Messwerte der an den Paneln installierten Einstrahlungssensoren. Versperren Wolken den direkten Blick zur Sonne, richten sich die PV-Module entsprechend so aus, dass über die Diffusstrahlung der maximale Ertrag gewonnen wird. Bei der Panelausrichtung lassen sich da­rüber hinaus die besonderen Eigenschaften berücksich­tigen, die monokristalline und polykristalline Zellen mit sich bringen.

PV-Anlagen integrieren
Trackingsysteme schaffen im Vergleich zu fest errich­teten Anlagen eine Ertragssteigerung von 25 % bis 40 %. Aller effizient gewonnene Strom nützt jedoch nichts, wenn nicht auch effizient damit umgegangen wird. Um eben genau das zu erreichen, ist die Integration von PV-Anlagen in Smart Grids der ­nächste Schritt. Intelligente Netze schaffen überhaupt erst die Möglichkeit, das Energieüberangebot von einem Händler an der Strombörse vermarkten zu lassen. Hierzu müssen die Steuerungen und das Monitoring der dezentralen Aggregate von einer übergeordneten Leittechnik zusammengeführt werden. Bei der Fernwirktechnik von Wago ist die Kommunika­tionsgrundlage bereits gelegt, weil sie die entsprechenden DIN-EN-Protokolle von Haus aus beherrscht.
An der Strombörse muss die maximale Leistung des virtuellen Kraftwerks in einer definierten Zeit abrufbar sein. Die Fernwirktechnik regelt und überwacht den gesamten Prozess, überträgt Messwerte und Schaltbefehle. Mit Codesys können zudem verschiedene Visualisierungen nach DIN EN 61131-3 erstellt werden, die direkt in den Webserver der Steuerungen geladen werden. Dies ermöglicht Anlagen- und Netzbetreibern eine komfortable Diagnoseplattform, in der einerseits alle Mess- und Schaltbefehle ausgewertet werden können und in der sich andererseits Leistungsverläufe, Ertragsdaten und Störmeldungen darstellen lassen.

Attraktivität behalten, Ausbau steigern
Der Anteil erneuerbarer Energie an den mehr als 600 TWh, die jährlich in Deutschland benötigt werden, muss und wird zukünftig steigen. Mit seinen Automatisierungskomponenten bietet Wago die technischen Vo­raussetzungen für eine effiziente Energienutzung. Dadurch bleibt Photovoltaik trotz sinkender garantierter Einspeisevergütung attraktiv. Und das ist von entscheidender Bedeutung: Nur dann, wenn diese Technologie weiterhin ihre Strahlkraft behält, wird ihr Ausbau von Privathaushalten und Unternehmen auch weiterhin ­unterstützt. (ih)

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Autor: Manuel Schmidt ist im Market Management Industrie & Prozess (MMIP) Energie bei der Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG tätig.