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Installations- und Wartungskosten bei PV-Anlagen sparen

Bild 1. Die sorgfältige Auslegung von Generatoranschlusskästen und der Einsatz leistungsfähiger Komponenten haben einen wesentlichen Einfluss auf die Anlagenverfügbarkeit

Bild 1. Die sorgfältige Auslegung von Generatoranschlusskästen und der Einsatz leistungsfähiger Komponenten haben einen wesentlichen Einfluss auf die Anlagenverfügbarkeit

Bild 2. Die werkzeuglose Schnellanschlusstechnik für die Anbindung der PV-Stränge reduziert die Wahrscheinlichkeit für Installationsfehler und erhöht die Anlagenverfügbarkeit

Bild 2. Die werkzeuglose Schnellanschlusstechnik für die Anbindung der PV-Stränge reduziert die Wahrscheinlichkeit für Installationsfehler und erhöht die Anlagenverfügbarkeit

Bild 3.  Die im Generatoranschlusskasten installierte Gerätefamilie VAL-MB schützt den DC-Generator vor Überspannungen bei hohen Systemspan nun gen bis 1 500 V

Bild 3. Die im Generatoranschlusskasten installierte Gerätefamilie VAL-MB schützt den DC-Generator vor Überspannungen bei hohen Systemspan nun gen bis 1 500 V

Bild 4. Der Einsatz von Inline-Sicherungen in Schutzart IP67 reduziert die thermische Belastung innerhalb des Generatoranschlusskastens und trägt somit zu einer höheren Verfügbarkeit bei

Bild 4. Der Einsatz von Inline-Sicherungen in Schutzart IP67 reduziert die thermische Belastung innerhalb des Generatoranschlusskastens und trägt somit zu einer höheren Verfügbarkeit bei

Die Kosten von PV-Kraftwerken lassen sich durch eine Erhöhung der Systemspannung auf 1 500 V weiter reduzieren. Eine Lösung für Generatoranschlusskästen von Phoenix Contact steigert nicht nur die Verfügbarkeit, sondern vereinfacht auch die Instandhaltung.
In den vergangenen Jahren sind die Stromgestehungskosten der photovoltaischen Energieerzeugung kontinuierlich gesunken. Einige Regionen produzieren den Solarstrom mittlerweile günstiger, als dies in Gaskraftwerken möglich ist. In einem Ausschreibungsverfahren in den Vereinigten Arabischen Emiraten wurde beispielsweise ein Gebot von 2,99 US-Cent/kWh erzielt. In der Vergangenheit resultierten die fallenden Erzeugungskosten für Solarstrom hauptsächlich aus den geringeren Modulkosten. So verbilligten sich Solarmodule von 2009 bis 2015 um etwa 80 %. Je nach Land und Technologie liegen die Ausgaben heute zwischen 0,52 $/W und 0,72 $/W. Darüber hinaus haben auch die niedrigeren Kosten für die Wechselrichter einen wesentlichen Anteil an den Einsparungen. Selbst wenn sich der finanzielle Aufwand in den genannten Bereichen in den kommenden Jahren durch technologische Weiterentwicklungen nochmals reduzieren lässt, rücken neben Modulen und Wechselrichtern immer öfter die weiteren BOS-Komponenten (Balance of System) eines PV-Kraftwerks in den Fokus. Dazu gehören die mechanischen Elemente wie Montagegestelle sowie vor allem die elektrischen Bereiche und damit die Verkabelung und Generatoranschlusskästen (GAK). Insbesondere in diesem Umfeld lassen sich die Kosten durch eine Erhöhung der Systemspannung signifikant senken.
Stranganzahl um 30 % reduziert
PV-Großkraftwerke basieren üblicherweise auf Zentralwechselrichter-Architekturen. Hierbei werden die zu Strängen verschalteten PV-Module zunächst über Generatoranschlusskästen im Feld gesammelt und dann per DC-Stammkabel und unter Umständen nachgeschalteten Recombiner-Boxen an die Zentralwechselrichter angekoppelt. Als wichtige planerische Größe erweist sich dabei die höchstmögliche Stranglänge, welche direkt von der Leerlaufspannung der maximal zulässigen DC-Systemspannung abhängt. Bei vorgegebener DC-Leistung bewirkt eine Erhöhung der Systemspannung von DC 1 000 V auf DC 1 500 V eine Steigerung der Modulzahl pro Strang um 50 %. Das führt zu einer über 30 % geringeren Stranganzahl und somit der benötigten Generatoranschlusskästen. Außerdem sinkt der Verkabelungsaufwand auf der Generatorseite, da ebenfalls ein Drittel der Sammelleitungen zur Anbindung an die Wechselrichter entfallen kann.
Tendenziell hat eine Erhöhung der Systemspannung eine Vergrößerung der Zentralwechselrichter-Stationen zur Folge. Waren in 1 000-V-Systemen noch Einheiten bis zu einer Nennleistung von 3 MW üblich, werden für zukünftige 1 500-V-Lösungen mittlerweile Wechselrichter- Stationen mit 5 MW Nennleistung angeboten. Der wesentliche Vorteil dieser Entwicklung liegt in der höheren PV-Leistung, die pro Wechselrichter-Einheit bedient werden kann. Auf diese Weise reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Wechselrichter- Einheiten, was die Installations- und Wartungskosten verringert.
Feldanschlussstecker schnell konfektioniert
Um den Kostenvorteil, der sich aus dem Einsatz höherer Systemspannungen ergibt, realisieren zu können, müssen alle relevanten Systemkomponenten verfügbar sein. Neben den Wechselrichtern und Modulen spielen die Generatoranschlusskästen hier eine Schlüsselrolle, und zwar insbesondere die in ihnen verbauten Kerntechnologien Anschluss- und Schutztechnik sowie Überwachung (Bild 1). Klassischerweise werden die PV-Stränge über Schraubklemmkontakte im Generatoranschlusskasten aufgelegt, weil diese Vorgehensweise mit den niedrigsten Investitionskosten verbunden ist. Daraus resultiert jedoch ein größerer Installationsaufwand, da die notwendigen Anzugsdrehmomente der Anschlusspunkte akribisch überprüft und dokumentiert werden müssen. Das ist erforderlich, um eventuell später auftretende Probleme durch lockere Verbindungen und den daraus folgenden Lichtbögen oder sogar Bränden zu vermeiden.
Zur Strangankopplung empfiehlt sich vor diesem Hintergrund die Nutzung von Feldanschlusssteckern, die sich direkt vor Ort ohne Spezialwerkzeug auf Basis der Federklemmtechnik konfektionieren lassen. Die Qualität der überwiegenden Anzahl an kritischen Klemmpunkten innerhalb des Generatoranschlusskastens lässt sich so bereits beim Schaltschrankbauer sicherstellen.
Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom einfacher messen
Die Verwendung von steckbaren Stranganschlüssen eröffnet ferner Vorteile während der Instandhaltung. Viele O&M-Verträge (Operation & Maintenance) fordern zwischenzeitlich im Rahmen turnusmäßiger Anlagenüberprüfungen eine strangweise Kontrolle der Leerlaufspannung sowie des Kurzschlussstroms. Dieses Vorgehen entspricht zudem den Anforderungen einschlägiger Normen zur Anlagenwartung und Instandhaltung, wie der DIN EN 62446-1 (VDE 0126-23-1). Der Einsatz von Stecktechnik vereinfacht derartige Messungen deutlich, da die auszumessenden Leitungen direkt an das Messgerät angeschlossen werden können. Der Servicetechniker muss also nicht erst Klemmverbindungen im Generatoranschlusskasten lösen und anschließend unter Beachtung der einzuhaltenden Drehmomente wiederherstellen.
Um die Anforderungen im Handlungsfeld der PV-Feldanschlusstechnik abdecken zu können, hat Phoenix Contact die Steckerfamilie Sunclix entwickelt (Bild 2). Die Produkte zeichnen sich unter anderem durch ihre Konfektionierung ohne teure Spezialwerkzeuge aus. Das wird durch eine spezielle Federkraft-Anschlusstechnik erreicht, die stets für optimale Kontaktbedingungen sorgt. Der hohe IP-Schutzgrad sowie die Auslegung für extreme Umgebungsbedingungen stellen eine langfristige Verfügbarkeit der Steckverbindungen sicher und reduzierten die Wahrscheinlichkeit von Ertragsverlusten. Kreuzverbindungen zu Fremdtypen und Fabrikaten, die nach aktuellen Untersuchungen die Hauptursache von Problemen bei DC-Steckverbindungen und folglich der Grund für Gewährleistungs-Streitigkeiten sind, werden durch das besondere Steckgesicht der Sunclix-Komponenten verhindert. Die Produktfamilie bietet dem Anwender Lösungen für Systemspannungen bis 1 500 V bei Anschlussquerschnitten bis 16mm2.

Bild 5. Die berührungslose Strommesstechnik des Strangüberwachungs-Systems Solarcheck eignet sich insbesondere für 1500-V-Anwendungen

Bild 5. Die berührungslose Strommesstechnik des Strangüberwachungs-Systems Solarcheck eignet sich insbesondere für 1500-V-Anwendungen

Thermische Belastung gesenkt
In PV-Installationen spielt der Überspannungsschutz eine entscheidende Rolle, wenn es um eine langfristige Verfügbarkeit und Rentabilität geht. In diesem Zusammenhang ist darauf zu achten, dass alle relevanten elektrischen Anlagenteile – also die DC-Seite des Generators, die AC-Seite hinter dem Wechselrichter und die Kommunikationsverbindungen – im Überspannungsschutzkonzept berücksichtigt werden. Daher stellt Phoenix Contact mit der Produktfamilie VAL-MB Geräte zur Verfügung, die insbesondere die hohen Anforderungen auf der DC-Seite der 1 500-V-Systeme erfüllen (Bild 3). Für den Überstromschutz auf der Strangebene umfasst das Portfolio darüber hinaus Sicherheitslösungen, die sich im Schaltschrank sowie als IP67-Inline-Sicherung im Feld nutzen lassen (Bild 4). Bei den heutigen PV-Großkraftwerken erweist sich die Verlagerung der Sicherungen aus dem Generatoranschlusskasten ins Feld als Vorteil, weil die thermische Belastung innerhalb des GAK so deutlich gesenkt wird. Daraus folgend nimmt auch die Frequenz temperaturindizierter Bauteilausfälle und damit einhergehender Ertragsverluste ab.
Ohne eine konsequente Anlagenüberwachung lässt sich derzeit kein PV-Kraftwerk rentabel betreiben. Nur auf diese Weise können Störungen sowie daraus resultierende Ertragsverluste frühzeitig erkannt und behoben werden. Das modulare Strangüberwachungs-System Solarcheck von Phoenix Contact erfasst deshalb die Strangströme berührungslos per Hall-Messtechnik und greift somit nicht in die Strangleitung ein (Bild 5). Deswegen ist die Lösung problemlos in den Anlagen der neuen 1500-V-Generation verwendbar.
Anschlusskästen sorgfältig designed
Beim Aufbau von Generatoranschlusskästen für PV-Kraftwerke im 1 500-V-Bereich kommt nicht nur der Verfügbarkeit der verbauten Komponenten eine große Bedeutung zu. Als entscheidend erweist sich zudem ein sorgfältiges Design der Anschlusskästen im Hinblick auf die zu erwartenden Einsatzbedingungen, und hier speziell die Umgebungsbedingungen im Betrieb. In diesem Umfeld unterstützt Phoenix Contact die Anwender. Das Leistungsspektrum reicht dabei von einer ausführlichen Beratung in der Entwicklungsphase bis zu umfangreichen Tests im unternehmenseigenen Überspannungslabor. (no)

Autor: Dipl.-Phys. Thomas Oesselke ist Manager im Industry Management Solar bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. toesselke@phoenixcontact.com

Autor: Dipl.-Phys. Thomas Oesselke ist Manager im Industry Management Solar bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. toesselke@phoenixcontact.com