Stringstromüberwachung von PV-Anlagen

Wachschutz en gros und en détail - Stringstromüberwachung von PV-Anlagen Photovoltaikanlagen werden immer häufiger auf ausgedehnten Gebäudedächern und im Freiland installiert. Zur Überwachung von Funktion und Wirtschaftlichkeit bietet es sich an, Anlagenteile separat zu überwachen, z.B. durch Messung der einzelnen Stringströme. Bei PV-Installationen kommen Systeme mit verschiedenen Aufbauarten, Ausbaustufen und Leistungen zum Einsatz. Unterschieden wird zwischen mittleren PV-Anlagen mit einer Leistung von mehr als 100kWp (Kilowatt Peak), welche sich für Hallendächer eignen, sowie großen, im Freiland montierten Installationen, die maximal 1MWp (Megawatt Peak) erzeugen. In Europa finden sich auch Anwendungen mit einer Leistung größer 1GWp (Gigawatt Peak). Im Gegensatz zu den auf den Dächern von Privathäusern angebrachten PV-Anlagen werden diese nicht kontinuierlich durch den Betreiber überwacht. Somit bleiben Schäden oftmals einige Zeit unentdeckt. Defekte oder eine Verschmutzung der Anlage oder Abschattungen führen jedoch häufig zu einer Beeinträchtigung des möglichen Stromertrags. Überwachung zeigt Optimierungspotenziale auf Die Messung der einzelnen Stringströme ist eine wirkungsvolle Möglichkeit, um die wirtschaftliche Arbeitsweise der PV-Anlage zu kontrollieren. Speziell in ausgedehnten Installationen werden die Strings in sogenannten Generatoranschlusskästen (GAK) zusammengefasst. Neben einer reinen Brückung der Strings auf die Potentiale Plus und Minus und der Weiterleitung über ein Sammelkabel können die GAK auch ein Überspannungsschutzmodul, Sicherungstrennklemmen für die einzelnen Strings sowie einen gemeinsamen DC-Freischalter enthalten. Außerdem lassen sich die Stringströme lokal in den Generatoranschlusskästen messen und die ermittelten Werte beispielsweise über eine serielle Kommunikation an einen übergeordneten Rechner weiterleiten. Dort werden die Stromwerte dann miteinander oder mit einer Referenz verglichen. Auf diese Weise erhält der Betreiber einen Überblick, in welchem Bereich der Anlage es Möglichkeiten zur Verbesserung gibt und wo eine Vor-Ort-Kontrolle notwendig ist. Über eine Spannungsmessung kann zudem die Leistung einzelner Strings ermittelt und so ein genaues Leistungsprofil der verschiedenen Anlagenteile erzeugt werden. Eine solche Überwachung ist nicht nur für Neuinstallationen interessant, sondern in Zeiten sinkender Einspeisevergütungen auch für bestehende PV-Anlagen. Messung mit dem hallsensor Zur Messung des Stroms stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Zum einen werden die Werte über einen Shunt aufgenommen, also einen hochgenauen Widerstand, an dem die dort abfallende Spannung gemessen wird. Mit diesen Daten lässt sich der jeweilige Stromfluss durch den Shunt ermitteln. Ein wesentlicher Nachteil der Messmethode ist, dass die Strom führende Leitung hierbei unterbrochen werden muss. Für die Strangstrommessung bieten sich aber auch Hallsensoren an. Hier wird der Leiter durch einen Ferritring geführt. Dieser bündelt das Magnetfeld, das durch den Stromfluss hervorgerufen wird. Die Stärke des Magnetfelds ist dabei proportional zur Stromstärke. Mit einem Hallsensor lässt sich die Stärke dieses Magnetfelds messen und daraus die Höhe des elektrischen Stroms errechnen. Das Hallsensorprinzip hat den Vorteil, dass die Stromleitung nicht aufgetrennt werden muss. Ein direkter Eingriff in den Stringstromkreis wird vermieden, sodass die Weiterleitung des Stroms in jedem Fall sichergestellt ist. In Photovoltaikanlagen hat sich zur Datenübertragung das RS485-/Modbus- RTU-Protokoll etabliert, da es einfach handhabbar ist sowie eine Integration in verschiedene Rechnersysteme und einen kostengünstigen Aufbau der Quelle: www.voltimum.de

Kommunikationsstruktur erlaubt. Außerdem lässt sich die RS485-Kommunikation bei Bedarf problemlos auf andere Medien wie Lichtwellenleiter oder Funk umsetzen. Integrierte Spannungsmessung liefert fehlenden Parameter Auf der Hannover Messe 2011 hat Phoenix Contact mit Solarcheck ein System vorgestellt, das mit der beschriebenen kontaktfreien Messung der Stringströme arbeitet (Bild 1). Der Strom wird mittels Hallsensoren erfasst, wobei die Leiter von bis zu acht einzelnen Strings durch das Messgerät geführt werden können (Bild 2). Ferner beinhaltet die Lösung eine Spannungsmessung, über die sich Gleichspannungen bis 1200V im IT-Netz ermitteln lassen. Sie liefert den fehlenden Parameter, um die Leistung in den einzelnen Strings zu berechnen. Die gewonnenen Informationen werden über einen systemspezifischen Bus an das sogenannte Kommunikationsmodul weitergeleitet. Außerdem versorgt der Bus die angeschlossenen Messmodule mit der Versorgungsspannung, weshalb in die Generatoranschlusskästen keine zusätzliche Spannungsquelle eingebaut werden muss. Das Kommunikationsmodul kann die Daten von bis zu acht Messgeräten aufnehmen und als Modbus-Slave über die integrierte Modbus-RTU-Schnittstelle an einen übergeordneten Rechner übermitteln. Bei acht Strings pro Messgerät sind also bis zu 64 String-Strommessungen an einem Modbus-Slave möglich (Bild 3). Kleinsteuerung informiert via SMS über Störungen Das Solarcheck-Konzept lässt verschiedene anwenderspezifische Messaufbauten zu. Während sich einige Betreiber für die direkte Installation von zwei Messgeräten sowie der Kommunikationsmodule als Modbus-Slave im Generatoranschlusskasten entscheiden, verteilen andere Anwender die Messgeräte im Feld und wählen einen zentralen Aufbau der Modbus-Anbindung über die Kommunikationsmodule., Die Modbus-RTU-Kommunikation erlaubt die Ankopplung an jeden konformen Modbus-Master. Als zentraler Rechner bietet sich beispielsweise ein kompakter Inline Controller ILC 1xx aus der 100er-Steuerungsklasse von Phoenix Contact an. Der ILC 1xx erfasst die Daten aus der PV-Anlage fortlaufend über eine modular erweiterbare Modbus- RTU-Anschaltung und wertet sie aus. Tritt eine Fehlfunktion in der Anlage auf, wird automatisch ein Alarm generiert und zum Beispiel über eine GSM-Verbindung als SMS an den Anlagenbetreiber verschickt. Zudem können alle aufgenommenen und berechneten Messwerte per Funk an ein Webportal weitergeleitet werden. Bild 1: Das Solarchecksystem besteht aus einem Mess- und einem Kommunikationsmodul Quelle: Phoenix Contact Quelle: www.voltimum.de

Bild 2: Der Aufbau des Generatoranschlusskastens zeigt den platzsparenden Einsatz einer Stringüberwachung Bild 3: Struktur des Systemaufbaus Quelle: www.voltimum.de