Die Herausforderung für Betreiber großer Photovoltaik-Freiflächenanlagen verdeutlicht Richard Verdezki zu Beginn unseres Webinars mit Huawei Fusionsolar am 21. September, indem er eine große Diskrepanz darstellt (hier geht es zur kostenlosen Aufzeichnung): Weil die meisten neuen Grünstromerzeugungsparks mit Umrichtertechnik ins Netz einspeisen – ob Windturbinenareale oder Modulfelder der Photovoltaik (PV) –, weil zugleich mit den bisher direkt ins Netz einspeisenden fossilen Kraftwerken auch die rotierenden Massen riesiger Generatoren vom Netz gehen, müssen die Umrichter deren Netzdienstleistungen übernehmen. Die Trägheit abbremsender Generatoren wirkte bisher unmittelbar auf die Strom- und Spannungskurven und glich plötzliche Unregelmäßigkeiten darin aus.
Der Senior Solution Sales Manager von Leistungselektronikzulieferer Huawei Fusionsolar nennt im von ERNEUERBARE ENERGIEN organisierten Webinar „So sicher bringen Stadtwerke und Co. die PV-Kapazitäten ans große Netz“ die hohen Anforderungen: PV-Wechselrichter in großen Freiflächenmodulfeldern müssen beispielsweise sogenannte Blindleistung fürs Zurechtschieben der Strom- und Spannungskurven liefern. Bei Netzaussetzern müssen sie die Kurzschlussleistung aufrechterhalten. Oder sie müssen aktiv Resonanzen ausgleichen. Sie entstehen, wenn sich Schwingungen in der Elektrizität im Netz aufschaukeln, die eine Folge plötzlich zu- oder abgeschalteter Verbraucher oder Kraftwerke sind. PV-Wechselrichter müssen daher erst Recht eine hohe Verfügbarkeit mit geringen Ausfällen gewährleisten, was sie als Industrieware inzwischen auch regelmäßig erreichen.
Doch es gibt nicht genügend Firmen, die PV-Freiflächenanlagen installieren. Entgegen dem hohen technischen Anspruch würden infolge dessen wenig erfahrene Mitarbeiter die Stecker der PV-Module im Umrichter crimpen, analysiert es Experte Verdezki. Sie produzierten dabei Fehler und erhöhten die Ausfallgefahr.
Wie solche Risiken genau entstehen, zählt der Mann des Solartechnologieunternehmens ebenfalls auf, der bei Huawei Fusionsolar fürs Erklären der Umrichter- und Umspanntechnologie im Geschäftsbereich Stadtwerke und Versorger zuständig ist: Meist träten die Kurzschlüsse oder gar Feuer im Umrichter auf der DC-Strecker-Seite auf, also an den Gleichstromsteckern aus den Modulen. Dies könne passieren, wo Installateure statt der vom Umrichterhersteller gelieferten DC-Stecker lieber andere Stecker verwenden, die mit einer von Ihnen mitgebrachten Crimpzange gerade kompatibel waren. Oder das Crimpen war unsauber. Oder aber lagen Stecker vor dem Anschluss angenommen zwei Wochen lang auf dem Boden, weil die Wechselrichter zum Zeitpunkt der Steckeranlieferung noch nicht da waren. Dadurch geriet vielleicht Dreck vom Boden in die Steckverbindung, erhöhte den Übergangswiderstand – und der Stecker wird nun gefährlich warm.
Technologie-Unternehmen Huawei Fusionsolar antwortet auf diese Herausforderung mit smarter, sehr leistungsfähiger und modular zusammengesetzter Leistungselektronik, deren Komponenten zum Portfolio vieler Industriezulieferunternehmen gehören und daher nach einem Ausfall sich schnell austauschen lassen. Es bietet für den sogenannten Utility-Markt daher einerseits auf Kundenwunsch weiterhin den smarten PV-String-Wechselrichter 215KTL-H0 mit einer Ausgangsleistung von 215 Kilowatt (kW) an. Neuerdings stellte es aber den im Frühjahr auf der Messe Intersolar in München preisgekrönten und mit elektronischer Intelligenz versehenen String-Wechselrichter 330KTL-H1 mit ins Portfolio. Dieser liefert mit 330 kW Gleichstrom-Eingangs-Nennleistung eine 300 kW Wechselstrom-Ausgangsleistung. Zielgruppe und Zielprojekte des Produkts sind Stadtwerke und größeren Energieversorger, die Projekte für zunehmend große Freiflächenparks mit bis zu oder gar mehr als 100 Megawatt (MW) Höchstleistung ins Visier nehmen. Weil die 330-kW-Stringwechselrichter deshalb deutlich mehr Module zusammenfassen und dann längere Steckerkabel erfordern, sind sie aber eher bei nah aneinander aufgeständerten Modulen mit großer Flächendichte rentabel. Für weit ausgedehnte PV-Trackeranlagen könnten die 215-Kilowatt-Umrichter aufgrund ihrer dann viel kürzeren Kabelwege im Vorteil bleiben.
Zur Einspeisung ins Stromnetz bietet der PV-Freiflächenpark-Zulieferer einen im Vorjahr in den Markt eingeführten Trafo im 20-Fuß-Standardcontainer mit drei, sechs und neun Megawatt (MVA) mit an. Dieser soll im internationalen Geschäft auf die Netzspannungsebenen 20, 30 und 33 kV umspannen. Weil in Deutschland die Netzbetreiber allerdings beim Anschalten der Trafos mit höherer Leistung ungerechtfertigt schon ein Zusammenbrechen ihrer mancherorts überlasteten Niederspannungsnetze fürchteten, sagt Verdezki, lasse Huawei die Neun-MW-Stationen die PV-Elektrizität nur noch in mindestens die 110-kV-Netzebene der Verteilnetze umspannen. Die tatsächlich 7,3 MW Wechselstromausgangsleistung und bis zu 8,3 Megawatt Modulnennleistung (MWpeak – MWp) verarbeitenden Sechs-MVA-Stationen und die bis zu 12 MWp PV-Leistung anbindenden Neun-MVA-Stationen lassen Leistungspuffer. Mit 20 beziehungsweise bis zu 30 Modulreihen oder Wechselrichteranschlüssen bezogen aufs neue 330-kW-Modell würden die Trafos „kühler laufen als bei Wettbewerbern“, sagt Verdezki. Das Sechs-MVA-Modell beispielsweise bleibe um fünf bis 10 Grad kühler im Betrieb, was eine Laufzeit von 30 Jahren ermögliche.
Die komplett in der Fabrik inklusive interner Kabelanschlüsse vorgefertigten und vorgetesteten Trafostationen enthalten den Mittelspannungsumrichter, die Mittelspannungsschaltanlage, die Niederspannungsverteilung mit kleinen Leistungsschaltern und eine Fünf-kVA-Eigenstromversorgung für den Bedarf von zwei Kilowatt fürs Licht und die Lüftungstechnik. Den Leistungsüberschuss von drei Kilowatt hält die Station fürs elektronische Monitoring, für einen Anschluss einer Überwachungskamera oder auch den Anschluss einer Flexmaschine für Reparaturen oder Ausbauarbeiten vor. Die eingebaute Schaltanlage lässt sich von asiatischen Herstellern oder von Siemens aus Deutschland zuliefern. Auf Wunsch liefert das Wechselrichter-Unternehmen auch eine vorkonfektionierte unterbrechungsfreie Stromversorgung mit an, die ein erneutes ferngesteuertes Zuschalten eines zuvor abgeschalteten Trafos ermöglicht. Die Kommunikation der Wechselrichter mit der Station erfolgt über die sogenannte M-Bus-Technologie als Powerline-Kommunikation. Die elektronische Isolationsüberwachung erfolgt derweil ohne gesonderte Geräte über eine ohnehin vorhandene Trafo-Komponente.
Weitere Technologien wie Entkupplungsschutz müssen und können die Betreiber im Übrigen extra bestellen. Den Störlichtbogentest und damit die Sicherheit für den PV-Park vor einem Übergreifen eines theoretisch möglichen Feuerausbruchs in der Trafostation ließ Huwaei Fusionsolar wenige Monate zuvor vom Berliner Prüfinstitut IPH abwickeln.
Damit die neue Energieversorger-Technologie für die kommenden großen Freiflächen-PV-Kraftwerke die hohen Anforderungen beim Stützen der Netzstabilität und beim rentablen und ausfallsicheren Betreiben der Anlagen erfüllen kann, baue sein Unternehmen mehr digitale Intelligenz als bisher üblich ein, sagt Verdezki. Vorneweg haben die Entwickler allerdings eine technische Vorrichtung eingebaut, mit dem sie ihr Utility-Konzept sicher um einen aktuellen politischen Stolperstein herum manövrieren: Weil die deutsche Wirtschafts- und Energiepolitik chinesischen Unternehmen von jeglichem technisch möglichen Zugang zu sogenannter kritischer Infrastruktur fernhalten will, haben sie ihrem chinesischen Unternehmen den Zugriff auf die neue Leistungselektronik verbaut. Huawei Fusionsolar lasse die deutschen Versorger-Kunden daher die Wechselrichter komplett vom Hersteller entkoppeln, erklärt Verdezki. Die Betreiber könnten die smarte Technologie mit eigens bei anderen Zulieferern georderten digitalen Überwachungsprogrammen nutzen – oder anderen Dienstleistern auf dem Markt den Zugriff darauf einräumen. „Wir stellen unsere Datenpunkte zur Verfügung, damit die Betreiber ohne uns die Wechselrichter steuern können“, sagt der Senior Solutions Sales Manager, „während wir keine Möglichkeit eines Zugriffs mehr von außen haben“.
Der 330KTL-H1-Wechselrichter ist auf neue 210-Millimeter-Module designt, die höhere Ströme zugunsten eines guten Gleichstrom-Wechselstrom-Verhältnisses zulassen, der DC-/AC-Ratio also. Das Verhältnis bestimmt darüber, wie viel Leistung und Gleichstrom die Module dem Wechselrichter bei Volleinstrahlung zuliefern und wie viel Wechselstrom beziehungsweise Leistung die Wechselrichter im Verhältnis dazu maximal Richtung Netz liefern können. Weil Volleinstrahlung nur selten stattfindet, würde eine DC/AC-Ratio von 1,0 die teure Wechselrichterleistung fast nie ausnutzen lassen. Bei einem zu hohen DC/AC-Verhältnis dagegen müsste die Anlage zu häufig Solarstrom aus den Modulen verschwenden, weil die Wechselrichter ihn nicht weitertransportieren könnten.
Die Funktion des Umrichters zur flexiblen Einstellung des maximalen Spannungsladepunkts, das so genannte Maximum Power Point Tracking (MPPT), stellt beim 330KTL-H1 das MPPT-Maximum auf 65 Ampere (A) ein. MPPT soll abhängig von Temperaturen, Einstrahlung und Solarzellentyp den jeweils effizientesten Arbeitspunkt der Solarmodule wählen, um immer die gerade bestmögliche Solarleistung zu erzeugen. Oberhalb von 65 A würden die Umrichter der neuen Utility-Klasse die Eingangsleistung der Solarmodule somit reduzieren, erklärt Verdezki. Dennoch ließen sich Ströme von 70 bis 80 Ampere eindesignen – und erst die 115-Ampere-Kurzschlussstromgrenze pro MPPT sei das oberste Limit.
Soweit ist die von ihm beschriebene Leistungselektronik allerdings wohl noch ein Ergebnis des puren Designs der Komponenten. Smart macht die Neuentwicklung die in ihr eingebaute Sensorik und das digitale Automatisierungsprogramm, die zusammen jedes Erhitzen von Bauteilen vermeiden oder betroffene Komponenten notfalls sofort abtrennen.
So reduzieren die Wechselrichter automatisch ihre Leistung, wenn die Lüfter sich mit Schmutz verstopfen. Insbesondere sorgt eine Funktion dafür, dass die Lüfter nachts ihren Lufteinsog umkehren und sich von eingesaugten Insekten, Pollen oder Sand- und Staubpartikeln freipusten. Der intelligente Transformator erfasst wiederum sämtliche Ströme und Spannungswerte auf Seiten der Module, die Trafotemperatur, Vorgänge wie eine sich öffnende Containertür, die Stellungen der Niederspannungs-Leistungsschalter, der Mittelspannungschaltanlage, alle Temperaturen auch auf Mittelspannungsseite, die Luftfeuchtigkeit, im Extremfall den Rauch oder beispielsweise Scheinwiderstandswerte. Bei zu viel Kondensation beispielsweise lässt die Trafostation die Stillstandsheizung den Dampf vertreiben, bei Temperaturanstiegen im Material oder in den Komponenten trennt sie Kabel und Module oder gar Wechselrichter ab oder schaltet die Station aus. Kunden können zusätzlich eine Software bestellen, die 15-Minuten-Komplettchecks des Zustands des PV-Parks vornehmen. Diese spukt dann genau aus, wo die Einsatzkräfte den Fehler finden werden und welche Bauteile oder Module sie zum Austauschen mitbringen sollten.
Um den Stadtwerken die Grünstromeinspeisung aus Sonnenenergie-Großkraftwerken auch langfristig abzusichern, setzt Zulieferer Huawei Fusionsolar bei der Leistungselektronik auf Industriebauteile. Für alle kritischen Bauteile gebe es Zulieferrahmenverträge mit drei verschiedenen Standard-Industrieunternehmen. Eigene Sonderbauteile kämen nicht zum Einsatz, sagt Verdezki. Das Ziel müsse sein, solche Bauteile „noch in 10, 15 oder 20 Jahren austauschen“ zu können.
Und um die Zertifizierung der geplanten PV-Freiflächenkraftwerke beim Netzbetreiber zu beschleunigen, verspricht das von Verdezki vorgestellte Konzept künftig eine Vorzertifizierung einzelner Komponenten und Bauteile sowie von Schaltplänen. Die Entwicklung dazu halte noch an, doch sie ziele darauf ab, „viel Geld und Zeit“ damit zu sparen, dass die Kunden ihre PV-Parks bei Netzanschlussanträgen „nicht von Null auf zertifizieren“ lassen müssen. „Da werden von uns schon Unterlagen für einzelne Komponenten und Schaltpläne bereitgestellt, damit der Zertifizierer nicht viel Wartezeit darauf verschwenden muss. Wir prüfen gerade, wie schnell wir das umsetzen können.“
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