Fit für den Retrofit?

Technik

Spezielle Lösungen für den Netz- und Anlagenschutz von Windenergieanlagen sichern deren Weiterbetrieb. Bestandsanlagen können so an die neuen Anschlussbedingungen der Netzbetreiber angepasst werden.

23. Februar 2017

Windenergieanlagen bilden einen wichtigen Teil der erneuerbaren Energieerzeugungsstruktur, schaffen jedoch technische Herausforderungen. So erhöht sich zum Beispiel der Aufwand zur Sicherstellung eines stabilen Netzbetriebs, um die gewonnene Energie zuverlässig in gleichbleibender Qualität zu den Verbrauchern zu transportieren.

Netzschutz ist Pflicht

Hier gilt, dass im Netz ein Leistungsgleichgewicht zwischen Erzeugern und Verbrauchern herrschen muss. Darüber hinaus hat die Spannung in einem definierten Toleranzband zu liegen. Andernfalls funktioniert der Leistungstransport nicht mehr bestimmungsgemäß. Doch wenn der Wind kontinuierlich weht, der Strombedarf aber wider Erwarten gering ist, müssen die Windenergieanlagen (WEA) aufgrund der Trägheit der Großkraftwerke eine Netztrennung durchführen, damit es nicht zu einem Netzkollaps kommt.

Deshalb sind die Betreiber dazu verpflichtet, Netzschutzgeräte vorzuhalten, die Netzkenngrößen messen und bei der Überschreitung der zulässigen Toleranzen eine Netztrennung anstoßen.

Kurze Reaktionszeit

Mit der VDE-AR-N 4105: 2011-08 „Anwendungsregel Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz: Technische Mindestanforderungen für den Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“ steht seit dem 1. August 2011 eine Richtlinie zur Verfügung, die den Stabilitätsanspruch normativ verankert. Die Richtlinie ist zudem Bestandteil der technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Netzbetreiber, die gesetzlich verpflichtend eingehalten werden müssen. Vor diesem Hintergrund erweist sich die VDE-AR-N 4105 ebenfalls selbst als rechtlich bindend und betrifft alle Energieerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz.

Blindleistungsabgabe

Die Richtlinie definiert unter anderem eine gezielte Blindleistungsabgabe der Anlagen und zwingt sie, die Wirkleistungsabgabe ab einer Frequenz von 50,2 Hertz zu reduzieren, um die Netzstabilität zu unterstützen. Ferner sieht die VDE-AR-N 4105 den Einsatz eines typgeprüften Netz- und Anlagenschutzes (NA-Schutz) für Energieerzeugungsanlagen im Parallelbetrieb mit Konformitätsnachweis vor.

NA-Schutz

In diesem Zusammenhang hat der NA-Schutz sicherzustellen, dass die Reaktionszeit auf Netzfehler weniger als 200Millisekunden beträgt. Beim NA-Schutz handelt es sich folglich um ein intelligentes Sicherheitsrelais, das die Netzfrequenz und Spannung erfasst, auswertet und im Fall eines Fehlers eine Netztrennung durch den Kuppelschalter vornimmt.

Es werden allerdings einige besondere Anforderungen an den NA-Schutz gestellt, die neben dem einzuhaltenden Toleranzband für die Spannung und Frequenz zu berücksichtigen sind.

 

Besondere Anforderungen

Umfasst die Anlage eine größere Scheinleistung als 30kVA, 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 das Kriterium der Einfehlersicherheit erfüllen. Darüber hinaus sind ein Passwortschutz und eine Testauslösefunktion notwendig. Und schließlich erfordert die Vorrichtung einen Fehlerspeicher sowie die Möglichkeit, dass der Netzbetreiber einzelne Parameter anpassen kann.

Netzschutz und mehr

Phoenix Contact hat diese Anforderungen in eine Lösung überführt, die neben der Netzschutzfunktion einen Mehrwert bietet. Der Grid Monitoring and Protection Controller (GMPC), der den Vorgaben der VDE-AR-N 4105 entspricht, stellt der Anlagensteuerung die Messwerte via Profinet, Modbus TCP, CAN-Bus oder per Analogausgänge zur Verfügung. Die Flexibilität der Lösung eröffnet insbesondere im Bereich des Retrofit-Marktes Vorteile.

Denn bei WEA, die zehn Jahre oder älter sind, können für defekte Komponenten des Öfteren keine Ersatzteile beschafft werden. Fällt ein Netzschutzgerät aus, für das keine Austauschkomponente erhältlich ist, kann die WEA nicht weiterbetrieben werden. Am Beispiel des Service-Anbieters Availon wird der Nutzen eines modularen Systems ersichtlich. Für Altanlagen, die vor 2011 an das Netz angeschlossen wurden, ist ein Konformitätsnachweis nicht verpflichtend. Bestehende Netzschutzlösungen können somit durch Systeme ersetzt werden, die sich beim Auftreten eines Problems identisch verhalten, sofern das Originalprodukt nicht mehr lieferbar ist.

Was tun bei Altanlagen?

Vor dieser Herausforderung stand Availon. Wegen der modularen Architektur des GMPC wurde deshalb durch das Anreihen eines CAN-Kommunikationsmoduls eine anlagenspezifische Schnittstelle zur Übermittlung der Messwerte an die Anlagensteuerung geschaffen. Zwecks Anpassung der Netzschutzparameter ist zudem ein anlagenspezifischer Parametersatz generiert worden.

Lösung je nach Anlagentyp

Als Availon mit Problemen beim Netzschutzgerät eines weiteren Anlagentyps konfrontiert wurde, bei dem die Messwerte über analoge Normsignale an die Anlagensteuerung gesendet werden, ist der GMPC um ein Analogausgangsmodul ergänzt worden.

Dass sich die Handhabung der anlagenspezifischen Parametereinstellungen, die als vorbereitete Dateien auf dem GMPC gespeichert sind, anwenderfreundlich gestaltet, bestätigt Wilhelm Krüp von Availon: »Der GMPC hat sich bei uns als Retrofit-Lösung bewährt. Er bildet das auszutauschende Netzschutzgerät nicht nur funktional nach, sondern verfügt mit dem zugehörigen Browser-Interface über eine einfach zu bedienende Oberfläche, die den Komfort für die Wartungsmitarbeiter vor Ort deutlich erhöht«.

Philipp Dauer, Björn Bülter (Phoenix Contact)

Erschienen in Ausgabe: 02/2017