Phoenix Contact Deutschland GmbH

Unabdingbar sind in hybriden Energiesystemen funktionsorientierte Module aus Hard- und Software, die zu einer einfachen und anwenderfreundlichen Lösung kombiniert werden können.

Bild: iStock, Dmitrii_Guzhanin

Lastmanagement für hybride Energiesysteme Die Komplexität beherrschen

10.06.2019

Systemintegratoren und Betreiber von hybriden Energiesystemen stehen vor der Herausforderung, eine Vielzahl unterschiedlicher Photovoltaik-Wechselrichter, Stromspeicher sowie andere Stromquellen und Verbraucher in ein System einzubinden. Die Energieflüsse der Quellen und Senken müssen unter anderem überwacht werden. Außerdem hat der Eigentümer die Anlage bei Bedarf zu regulieren, damit das Stromnetz stabilisiert wird. Der Betrieb eines hybriden Energiesystems erweist sich somit als komplex.

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In der Vergangenheit sahen die Hersteller konventioneller Energieerzeugungsanlagen die Stromerzeugung aus Photovoltaik (PV) und weiteren erneuerbare Energiequellen eher als Bedrohung denn als sinnvolle Ergänzung an. Die stetig sinkenden Gestehungskosten für Energie aus PV haben mittlerweile zu einem Umdenken geführt.

Aus der anderen Perspektive betrachtet stellt sich die Situation ähnlich dar: Die Kompetenz der Hersteller von PV-Anlagen endet oftmals am Netzanschlusspunkt mit all seinen Ausprägungen hinsichtlich der Einspeiseregelung und fiskalischen Rahmenbedingungen. Soll der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromgenerierung in Deutschland jedoch weiter steigen und sich der Eigenverbrauch bis auf 100 Prozent erhöhen, müssen Energieerzeugung und -konsumption ganzheitlich beurteilt werden.

Mit seinen Komponenten und Lösungen schlägt Phoenix Contact hier die Brücke für eine zukünftige integrierte Energiegenerierung. Nicht nur im heimischen Markt ist es allerdings erforderlich, sowohl die Erzeuger- als auch die Verbraucherseite zu steuern. Benötigt wird mehr als ein Hardware-Werkzeugkasten, der unter anderem Steuerungen, Bussysteme und I/O-Module umfasst, sowie eine Programmierumgebung.

Unabdingbar sind vielmehr funktionsorientierte Module, die sich aus Hard- und Software zusammensetzen. Diese können im Sinne einer vereinfachten und schnellen Projektrealisierung zu einer anwenderfreundlichen Lösung kombiniert werden.

Betrieb im idealen Arbeitspunkt

Mit dem als modulares Steuerungssystem konzipierten Lastmanagement von Phoenix Contact laufen sämtliche Komponenten des Hybrid-Energiesystems im idealen Arbeitspunkt. Dazu steuert und überwacht das Lastmanagementsystem die notwendigen Lasten der Verbraucher, die PV- und Generatorleistung sowie den aktuellen Ladezustand der Batterien. Je nach Bedarf kann ebenfalls eine Einspeiseregelung nach den Vorgaben der lokalen Netzbetreiber umgesetzt werden.

Die Programmierung des Lastmanagementsystems erfolgt mit der Engineering-Umgebung PLCnext Engineer oder geeigneten Simulationsschnittstellen. In der Solarworx-Bibliothek, die speziell für die Durchführung von Photovoltaik-Projekten entwickelt worden ist, sind zahlreiche anwendungsbezogene Funktionsbausteine erhältlich. Diese erlauben einen einfachen und schnellen Zugriff auf Wechselrichter, Generatoren und Speichersysteme verschiedener Hersteller über unterschiedliche Schnittstellen wie RS485, CAN oder Ethernet.

Das Herzstück des Lastmanagementsystems bildet eine PLCnext-Steuerung mit analogen und digitalen Ein- und Ausgängen sowie dem zugehörigen Anwendungsprogramm. Die Energieflüsse der Senken und Quellen werden über Stromwandler gemessen und an eine Leistungsmessklemme übertragen respektive direkt über die Kommunikationsschnittstellen aus den Gensets oder Schutzgeräten ausgelesen. Je nach Anlagenstandort steht ein lokales Stromnetz zur Verfügung.

Bei instabilen Netzen muss das Lastmanagementsystem im Stand-Alone-Modus arbeiten können. Handelt es sich um ein wiederkehrendes Netz, ist das System auf dieses zu synchronisieren. Dazu lässt sich ein Netzanalysegerät der Produktfamilie EMpro mit Modbus/TCP-Anschluss verwenden. Die Synchronisation mit dem Netz geschieht über Gensets – also verschiedene Generatortypen wie Diesel- oder Gasgeneratoren –, die serienmäßig mit einem Anschluss zur Gridanpassung ausgestattet sind.

Beitrag zur Netzstablisierung

Die Einspeiseregelung hängt von den örtlich geltenden Gridcodes ab. Daher beinhaltet die Solarworx-Bibliothek entsprechend vorprogrammierte Funktionsblöcke. Einspeisesteuerungsfunktionen wie Q (U), cosPhi (U) und cosPhi (P) werden über eine Lizenz auf der SD-Speicherkarte bereitgestellt, von der Ladesteuerung übernommen und dann ausgeführt. Auf diese Weise tragen hybride Energieanlagen maßgeblich zur Netzstabilisierung bei.

Ist ihr Lastverlauf bekannt, kann das Lastmanagementsystem auf der Grundlage von digitalen Modellen entwickelt und umgesetzt werden. Die Generatoren folgen dem Lastprofil und lassen sich je nach Belastungsanforderung gezielt zu- oder abschalten. So wird sichergestellt, dass die Generatoren verbrauchsoptimiert laufen, aber dennoch stets ausreichend Leistungsreserven zur Deckung von Lastspitzen vorhanden sind und die Betriebszeiten gleichmäßig verteilt werden.

Die in der PV-Anlage verbauten String-Wechselrichter können über eine Kommunikationsschnittstelle an das Lastmanagementsystem angekoppelt werden. Zu diesem Zweck bietet die Solarworx-Bibliothek eine Vielzahl von Funktionsblöcken. Über das Lastmanagementsystem lassen sich außerdem Datenlogger-Funktionen sowie die Anbindung an ein betriebliches Managementportal realisieren.

Zum Ausgleich von Schwankungen im Stromnetz sowie zur Abdeckung von Spitzenlasten werden immer häufiger Batteriespeicher genutzt. Der Generatorbetrieb kann über die gezielte Integration eines solchen Speichersystems optimiert werden. In diesem Fall kommuniziert das Lastmanagementsystem mit dem Batteriemanagementsystem. Ein Ethernet-Port stellt die Daten für übergeordnete Portale zur Verfügung.

Das Wartungspersonal hat so die Möglichkeit, über eine Webvisualisierung auf Konfigurations- und Echtzeitanlagendaten zuzugreifen. Darüber hinaus lassen sich die Steuerungsdaten über eine Modbus/TCP- oder OPC-Schnittstelle an ein übergeordnetes SCADA-System weiterleiten.

Simulation und Test in Entwicklungsumgebung

Kürzere Produktentwicklungszeiten, leistungsfähigere Produkte, geringere Entwicklungsbudgets und eine schnelle Produktanpassung sind die wesentlichen Faktoren, weshalb Unternehmen modellbasiert entwickeln. Je schneller ein Fehler in der Projektentwicklungsphase erkannt wird, desto höher fällt die Kosteneinsparung aus. Das gilt auch für die Konzeption hybrider Energiesysteme.

Vor diesem Hintergrund arbeitet Phoenix Contact bei der Umsetzung seines Lastmanagements für hybride Energiesysteme mit Matlab/Simulink, einer Software-Lösung von MathWorks zur modellbasierten Beschreibung von kontinuierlichen und diskreten Systemen. Jedes Teilsystem wird simuliert und in der Entwicklungsumgebung getestet, bevor es unter realen Bedingungen zum Einsatz kommt. Je genauer das Modell ist, umso besser funktioniert das Lastmanagement; vom Modell bis zum fertigen Programm sind folgende Schritte erforderlich:

  • Modellierung des gesamten Hybrid-Energiesystems in Matlab/Simulink,

  • Simulation in der Entwicklungsumgebung,

  • Überprüfung des Systems in der Echtzeit-Entwicklungsumgebung,

  • Codegenerierung vom Modell zum Maschinencode.

Das Lastmanagementsystem für hybride Energiesysteme von Phoenix Contact ist modular aufgebaut, beliebig erweiterbar und lässt sich individuell auf jede Anwendung zuschneiden. Die offene Steuerungsplattform PLCnext Technology erlaubt die Integration aller Wechselrichter, Batteriespeicher und Generatoren.

Phoenix Contact verfügt zudem über das notwendige Applikations-Know-how, um die komplexen Fragestellungen bei hybriden Energieanlagen technisch optimal zu lösen. Im Gespräch mit den Anwendern werden von komplett autarken Anlagen bis zu einem stabilen netzdienlichen Betrieb sämtliche Aufgabenstellungen gemeinsam realisiert.

Bildergalerie

  • Alle Stromquellen und Senken werden über das Lastmanagement gesteuert.

    Bild: Phoenix Contact

  • Bei der PLCnext Technology können mehrere Entwickler gleichzeitig in unterschiedlichen Programmiersprachen an einem Steuerungsprogramm arbeiten.

    Bild: Phoenix Contact

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