Zusammenfassung
Als zentrale Maßnahme für die Energiewende hin zu sauberer Energie begegnet die dezentrale Photovoltaik (PV) dem Konflikt zwischen Energieentwicklung und begrenzten Landressourcen durch innovative Raumnutzung und technologischen Fortschritt. Der Bau von PV-Kraftwerken auf brachliegenden Flächen entlang von Autobahnen nutzt deren dezentrale Anordnung und die klare Eigentumsstruktur. Dieser Ansatz vermeidet die Konkurrenz um Land mit traditioneller Landwirtschaft und städtischer Bebauung und erreicht gleichzeitig die doppelte Zielsetzung von Wertsteigerung des Bodens und der Produktion von Ökostrom.
Der Schutz vor Inselbetrieb ist eine Kernkomponente für einen sicheren Netzbetrieb. Er verhindert, dass PV-Anlagen bei Netzausfall kontinuierlich Strom ins Netz einspeisen (der sogenannte „Inselbetrieb“), schützt Wartungspersonal, Stromnetze und -anlagen und gewährleistet einen stabilen Netzbetrieb.
Schlüsselwörter: Dezentrale Photovoltaik; Autobahn; Schutz vor Inselbetrieb
- Überblick
Vor dem Hintergrund der globalen Energiewende hin zu einer kohlenstoffarmen Energieversorgung hat sich die dezentrale Photovoltaik-Stromerzeugung aufgrund ihrer Flexibilität und Sauberkeit zu einem zentralen Weg für den großflächigen Ausbau erneuerbarer Energien entwickelt. Konventionelle PV-Projekte stoßen jedoch aufgrund von Landknappheit an ihre Grenzen. Unbebaute Flächen entlang von Autobahnen bieten hierfür eine innovative Lösung.
In netzgekoppelten, dezentralen PV-Systemen stellen Inselnetzschutzvorrichtungen eine entscheidende Technologie für die Netzsicherheit dar. Mithilfe einer aktiven Phasenregelschleife und Frequenzkompensation überwachen diese Geräte den Netzstatus in Echtzeit. Sobald ein Netzausfall erkannt wird, unterbrechen sie die PV-Leistung innerhalb von 0,2 Sekunden, um Stromschlaggefahren und durch den Inselnetzeffekt verursachte Anlagenschäden zu vermeiden.
Das PV-Kraftwerksprojekt entlang der Autobahn Datang-Pubei in Qinzhou (im Folgenden „das Projekt“ genannt) ist ein Demonstrationsprojekt für dezentrale Photovoltaik, das im Rahmen nationaler Initiativen zur Optimierung der Energiestrukturen und zur Bereitstellung saubererer und zuverlässigerer Energie errichtet wurde.
Das Projekt, das sich am Autobahnkreuz Pubei der Datang-Pubei-Schnellstraße im Kreis Pubei, Stadt Qinzhou, befindet, errichtet dezentrale Photovoltaik-Kraftwerke an den Böschungen der Schnellstraße. Die Anlage ist vollständig ins Stromnetz eingespeist. Mit einer installierten Gesamtleistung von ca. 3,31 MWp ist sie über die bestehende 10-kV-Leitung Liuqiao, die von der Qinzhou Power Supply Company betrieben wird, an das Stromnetz angeschlossen.
Das Projekt nutzt hocheffiziente PV-Module mit einer Gesamtleistung von 3,31 MW und verwendet ein Abrechnungsmodell für die Stromeinspeisung. Die Fertigstellung und Inbetriebnahme war für Ende April 2025 geplant. Für die Sekundärplanung wurde die Lösung Acrel-1000DP von Acrel für das dezentrale PV-Überwachungssystem ausgewählt. Die PV-Überwachungsplattform, die auf unterstützenden Betriebssystemen basiert, bietet stabile und zuverlässige lokale Schutz- und Überwachungsfunktionen. Der Bau und Betrieb dieser dezentralen Photovoltaikanlage liefert sauberen, erneuerbaren Strom, reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und senkt die CO₂-Emissionen.
In diesem Beitrag wird die Demonstration des Netzanschlusskonzepts für PV-Anlagen detailliert beschrieben, ebenso wie Forschungsergebnisse zum Schutz von Systemrelais, zu automatischen Sicherheitsvorrichtungen, zur Systemkommunikation und zu Lösungen für die Automatisierung der Einsatzplanung.
- Lösung
Dies ist ein dezentrales Photovoltaikprojekt am Straßenrand mit einer Kapazität von 3,31 MW, das den gesamten erzeugten Strom ins Netz einspeist. Die neue netzgekoppelte Ausrüstung umfasst PV-Ausgangsverteiler, Zählerverteiler, Spannungswandlerverteiler und PV-Eingangsverteiler. Das modernisierte PV-System ist mit einem Automatisierungssystem ausgestattet, das Netzanschlussdaten in Echtzeit erfasst und an das DMS-System der lokalen Leitstelle übermittelt. Der Wechselrichter liefert 800 V Wechselstrom, der mittels Kastentransformatoren auf 10 kV transformiert und anschließend über Hochspannungskabel zum neuen 10-kV-PV-Eingangsverteiler geleitet wird. Von dort wird er über den netzgekoppelten Verteiler an die bestehende 10-kV-Leitung Liuqiao angeschlossen. Das Projekt nutzt die PV-Überwachungsplattform Acrel-1000DP, die die Echtzeit-Datenüberwachung der gesamten Anlage sowie die Meldung von Störungen ermöglicht.
- Technisches Konzept
Die Photovoltaikanlage mit einer Gesamtkapazität von rund 3,31 MWp wurde auf einem brachliegenden Gelände neben der Schnellstraße errichtet und verwendet PV-Module, Wechselrichter, Transformatoren und weitere Kernkomponenten namhafter Hersteller. Der gesamte erzeugte Strom wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Der von den PV-Modulen erzeugte Gleichstrom wird mittels String-Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt, vor Ort auf 10 kV transformiert und über einen Ausgang von Schaltanlagen zur 10-kV-Netzanschluss-Sammelschiene im Hauptanlagenraum geleitet. Der Netzanschluss-Schaltschrank leitet den PV-Strom an Mastschalter zur Netzanbindung weiter. Die geplante installierte Gesamtleistung des Projekts beträgt 3,972 MWp, davon 3,31 MWp Wechselstrom. Berechnet über die 25-jährige Betriebsdauer der PV-Anlage ergibt sich eine durchschnittliche jährliche Stromerzeugung von 464,23 kWh und eine Gesamtstromerzeugung von 11.605,73 kWh über 25 Jahre. Das Projekt, dessen Inbetriebnahme für 2025 geplant ist, realisiert ein vollständiges Stromexportmodell.
3.1 Aufwärtstransformatoren und Hoch-/Niederspannungsverteilungsanlagen
Das Projekt ist mit einem 1000-kVA-, zwei 800-kVA-, einem 500-kVA- und einem 630-kVA-Drehstrom-Trockentransformator ausgestattet. Nennspannung: 10,5 ± 2 × 2,5 % / 0,8 kV, Anschlussgruppe: Dy11, Nennfrequenz: 50 Hz. Geeignet für die Außenaufstellung. Die Energieeffizienz entspricht den nationalen Normen.
3.2 Relais- und Sicherheitsautomatik
Alle wichtigen elektrischen Anlagen der PV-Anlage sind mit einem mikrocomputergestützten Schutzsystem ausgestattet, das den Daten-Upload unterstützt. Der Komponentenschutz ist gemäß der Technischen Spezifikation für Relais- und Sicherheitsautomatik (GB 14285-2006) konfiguriert.
1) Inselnetzschutz
Das in diesem Projekt eingesetzte Inselnetzschutzgerät AM5SE-IS eignet sich für netzgekoppelte Systeme zur Erzeugung erneuerbarer Energien, darunter 35-kV-, 10-kV- und 380-V-PV- sowie Gaskraftwerke. Es verfügt über einen dreistufigen Überstromschutz, einen inversen Zeitschutz, einen zweistufigen Nullstromschutz und einen Nullstromschutz mit inverser Zeit. Zu seinen Kernfunktionen gehören: ① Personenschutz: Bei einem Stromausfall im Netz oder auf der PV-Seite trennt das Inselnetzschutzgerät umgehend den Netzanschlusspunkt, um zu verhindern, dass Wartungspersonal versehentlich stromführende Anlagen berührt und die persönliche Sicherheit zu gewährleisten. 2) Vermeidung von Netzüberspannungen und Geräteschäden: Die schnelle Abschaltung beseitigt durch Inselbetrieb verursachte Spannungs- und Frequenzschwankungen und verhindert so Schäden am Stromnetz und an den PV-Anlagen. 2) Verbesserte Systemzuverlässigkeit: Echtzeitüberwachung und schnelle Reaktion stabilisieren netzgekoppelte PV-Systeme, gleichen den Leistungsaustausch mit dem Hauptnetz aus und erhöhen die Gesamtzuverlässigkeit des Systems.
Wechselrichter für dezentrale PV-Projekte müssen eine schnelle Inselbetriebserkennung und eine sofortige Abschaltung vom Netz nach deren Erkennung ermöglichen. Die Schutzmechanismen gegen Inselbetrieb müssen mit Relaisschutz, automatischen Sicherheitseinrichtungen und Niederspannungserkennungseinrichtungen mit abgestimmten Reaktionszeiten gemäß den Vorgaben des staatlichen Netzbetreibers abgestimmt sein.
2) Schutz von netzgekoppelten Leitungen durch Relais und automatische Sicherheitseinrichtungen
Bei Kurzschlüssen in netzgekoppelten Leitungen dezentraler PV-Anlagen muss der Leitungsschutz sofort den entsprechenden netzgekoppelten Leistungsschalter auslösen, um eine schnelle und zuverlässige Fehlerbehebung in der gesamten Leitung zu gewährleisten. In den Umspannwerken der Nutzer, die PV-Anlagen beherbergen, ist an der 10-kV-Sammelschiene eine Fehlerstromverteilungseinrichtung zu installieren, um im Notfall Frequenz- und Spannungsanomalien zu regulieren und bei Bedarf die entsprechenden Leistungsschalter auszulösen.
3) Netzqualitätsüberwachung
Dezentrale PV-Projekte müssen die nationalen Anforderungen an die Netzqualität erfüllen. Gemäß nationalen Normen wie den Technischen Regeln für netzgekoppelte PV-Systeme (GB/T 15543-2008) sind Netzqualitätsparameter wie Spannung, Strom, Frequenz und Oberschwingungsverzerrung zu überwachen, um einen stabilen Betrieb der PV-Anlagen und eine zuverlässige Netzqualität zu gewährleisten.
4) AGC/AVC-Systeme
Für die Integration in das Stromnetz von China Southern Power Grid (CSG) müssen dezentrale PV-Projekte die Technischen Spezifikationen für dezentrale PV-Anlagen im Anschluss an Verteilnetze (GB/T 29319-2024) gemäß den Vorgaben der CSG-Leitungsabteilungen erfüllen. Die Ausstattung von Wechselrichtern mit AGC/AVC-Geräten ermöglicht die Regelung der Wirk- und Blindleistung und erfüllt damit die vier Anforderungen an Sichtbarkeit und Steuerbarkeit: beobachtbar, messbar, steuerbar und einstellbar.
5) Lageerkennungssysteme
Gemäß dem Cybersicherheitsschutzplan für den Netzanschluss dezentraler Anlagen zur Erzeugung neuer Energien des chinesischen Südstromnetzes (Dokument Nr. Zongtiao〔2022〕7 Anhang 1) werden dezentrale Anlagen zur Erzeugung neuer Energien mit Cybersicherheitsschutzsystemen für das Verteilungsnetz ausgestattet. Diese ermöglichen die Echtzeitüberwachung und -prüfung von Cybersicherheitsbedrohungen und laden die Daten auf die Lageerkennungsplattform des Stromüberwachungssystems hoch. Die Lageerkennungssysteme erkennen potenzielle Risiken frühzeitig und lösen bei Cyberangriffen Alarme aus.
- Systemarchitektur
Dieses Photovoltaik-Kraftwerksprojekt ist mit einem umfassenden Automatisierungssystem ausgestattet, das das dezentrale Photovoltaik-Leistungsüberwachungssystem Acrel-1000DP der Acrel Electric Co., Ltd. nutzt. Dieses System verfügt über Schutz-, Steuerungs-, Kommunikations- und Messfunktionen und ermöglicht so die vollautomatische, integrierte Verwaltung der Photovoltaikanlage und der Schaltanlage. Statussignale von Wechselrichtern, Hoch- und Niederspannungsanlagen sowie anderen Komponenten sind an dieses Überwachungssystem angeschlossen.
Das Überwachungssystem für Photovoltaik-Kraftwerke besteht aus zwei Teilen: einer Stationssteuerungsebene und einer lokalen Ebene. Die Netzwerkstruktur ist offen, geschichtet und verteilt.
Das Überwachungssystem ist über Ethernet mit der lokalen Ebene verbunden. Diese ist je nach Funktion und System relativ unabhängig im Wechselrichterbereich oder in den Umspannwerken verteilt. Selbst bei einem Ausfall der Stationssteuerungsebene oder des Netzwerks kann die lokale Ebene die lokalen elektrischen Anlagen weiterhin eigenständig überwachen. Das Computerüberwachungssystem kommuniziert über das öffentliche GPRS-Netzwerk der Fernsteuerungs-Arbeitsplätze mit dem Energieversorger Lu'an Power Company.
Die Stationssteuerungsebene besteht aus Servern, Bedienerstationen und Fernsteuerungsstationen, die über ein Computernetzwerk verbunden sind. Sie bietet eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für den Stationsbetrieb, ermöglicht die Verwaltung und Steuerung der Geräte der lokalen Ebene und bildet ein stationsweites Überwachungs- und Managementzentrum. Zudem verfügt sie über eine Schnittstelle zur Kommunikation mit der Fernsteuerungszentrale.
Die Geräte der lokalen Ebene umfassen eine intelligente Mess- und Steuereinheit, eine Netzwerkkommunikationseinheit, eine Wechselrichter-Datenerfassungseinheit und einen Multifunktions-Energiezähler. Zu den wichtigsten elektrischen Anlagen gehören Wechselrichter, Umspannwerke und netzgekoppelte Schalter. Das System erfasst und verarbeitet Rohdaten direkt vor Ort, überträgt diese über das Netzwerk an die Überwachungszentrale der Stationssteuerung und empfängt gleichzeitig Steuerbefehle von dieser. Nach Prüfung auf Gültigkeit, Verriegelung und Synchronisation steuert es die Anlagen.
Die Kommunikation zwischen Stationssteuerung und lokaler Ebene erfolgt über ein GPRS-Funknetz.
Jede Photovoltaik-Anlage ist mit einem Datenerfassungsgerät mit drahtloser Übertragungsfunktion ausgestattet, das Daten von den einzelnen Photovoltaikmodulen, Wechselrichterparametern, Mess- und Steuergeräten sowie intelligenten Zählern erfasst. Diese Daten werden anschließend drahtlos an das Überwachungssystem übertragen.
4.1 Echtzeitüberwachung
Das dezentrale PV-Überwachungssystem Acrel-1000DP verfügt über eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle. Es visualisiert den Betriebszustand der Verteilkreise anhand von Primärverdrahtungsplänen, überwacht elektrische Parameter wie Spannung, Stromstärke, Leistung und Leistungsfaktor jedes Stromkreises in Echtzeit und erfasst dynamisch den Öffnungs- und Schließzustand von Leistungsschaltern, Trennschaltern und Erdungsschaltern sowie Fehler- und Alarmsignale. Für die Anzeige von PV-Modulen und Hochspannungsanlagen in den jeweiligen Verteilräumen stehen kundenspezifische Benutzeroberflächen zur Verfügung.
4.2 Alarmfensterüberwachung
Die Bedienoberfläche der Lichtsignalüberwachung zeigt den Fernsignalstatus aller Schutzeinrichtungen direkt an. Bediener können so Störungen und Alarme im Strombetrieb vor Ort sowie den Status von Leistungsschaltern erkennen und die gesamte Schaltanlage überwachen.
4.3 Echtzeit-Kurvenüberwachung
Nutzer können auf der Echtzeit-Kurvenoberfläche Zieldatenmetriken auswählen, um dynamische Datenschwankungen anzuzeigen. Bis zu vier Kurven werden gleichzeitig visualisiert, um operative Datenanalysen durchzuführen.
4.4 Echtzeit-Berichtsüberwachung
Die Echtzeit-Berichtsschnittstelle ermöglicht es Benutzern, Zielgeräte auszuwählen und deren Betriebsparameter in Echtzeit abzufragen. Zu den gemeldeten elektrischen Kennzahlen gehören Dreiphasenstrom, Dreiphasenspannung, Gesamtleistungsfaktor, Gesamtwirk- und Blindleistung, Energieerzeugung und Daten von Fernsignalen.
- Daten von Fernsignalen: Echtzeitwerte, farblich nach Status gekennzeichnet (Grenzwertüberschreitung, erzwungene Einstellung, Kommunikationsfehler usw.), tägliche Maximal- und Minimalwerte mit Zeitstempel, tägliche Durchschnittswerte
- Daten von Fernsignalen: Echtzeitstatus, farblich gekennzeichnet, Gerätestatus (erzwungene Einstellung, Kommunikationsfehler usw.), tägliche Statusänderungszähler
Berichte unterstützen Export- und Druckfunktionen
- Fazit
Vor dem Hintergrund der „Dual Carbon“-Ziele unterstützen nationale Strategien die Entwicklung einer flächenbasierten Wirtschaft entlang von Autobahnen parallel zum großflächigen Ausbau dezentraler Energieerzeugungsanlagen. Es wurden innovative Betriebsmodelle für Photovoltaikprojekte auf Autobahngrundstücken erforscht, um das Entwicklungspotenzial dieser flächenbasierten Wirtschaft voll auszuschöpfen.
Dieses Projekt trägt aktiv zu den nationalen Strategien zur Entwicklung der Photovoltaik-Stromerzeugung entlang von Autobahnen bei und erfüllt gleichzeitig die von den lokalen Energieversorgungsunternehmen festgelegten Anforderungen an die Stromsicherheit. Zuverlässige Lösungen für die Überwachung dezentraler Photovoltaikanlagen sind für deren Netzanbindung unerlässlich. Die Lösung von Acrel zur Stromüberwachung unterstützt Stromverbraucher und Netzbetreiber bei der geordneten großflächigen Netzintegration dezentraler Photovoltaikanlagen, stärkt die einheitliche Verwaltung und Steuerung, fördert den koordinierten Betrieb zwischen dezentralen Photovoltaikanlagen und dem Hauptstromnetz und etabliert ein neues Managementsystem für die dezentrale Energieerzeugung mit transparenten Daten, komfortabler Regelung und Energieinteraktion.