Profinet-basierte Windpark-Regelung

Hohe Netzsicherheit garantiert

22.02.2011 | Autor / Redakteur: Marc Reitmaier / Ines Stotz

Auf der Steuerungsseite hat Phoenix Contact eine applikative Systemredundanz entwickelt, die eine ausfallfreie Umschaltung auf das redundante WFM sicherstellt.
Auf der Steuerungsseite hat Phoenix Contact eine applikative Systemredundanz entwickelt, die eine ausfallfreie Umschaltung auf das redundante WFM sicherstellt.

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In vielen Ländern setzt sich ein erheblicher Teil der Stromversorgung aus dem Einspeisevolumen der Windenergie zusammen. Tritt beispielsweise ein Fehler im Netz auf, kann aus diesem Grund nicht mehr auf die von den Windenergieanlagen gewonnene Energie verzichtet werden. Früher wurden die WEA bei einem Netzfehler innerhalb kürzester Zeit vom Netz getrennt, was die Netzbetreiber heute nicht mehr akzeptieren. Denn das sofortige Abschalten der WEA könnte in Regionen mit vielen Windenergieanlagen zu einer Kettenreaktion mit anschließendem totalem Netzausfall führen.

Abhängig vom Grid-Code des jeweiligen Landes müssen moderne Windenergieanlagen (WEA) einen solchen Netzausfall für eine bestimmte Zeit tolerieren. Dieses Verfahren wird als Low-Voltage-Ride-Through (LVRT) oder Zero-Voltage-Ride-Through (ZVRT) bezeichnet. Zudem muss der Windpark mit reduzierter Leistungsabgabe betrieben werden können. Dabei gibt es verschiedene Gründe, weshalb der Netzbetreiber die Einspeiseleistung vorübergehend begrenzt. Dazu gehören Engpässe oder die Gefahr von Überlastungen im Netz. Darüber hinaus sind lastabhängige Schwankungen am Netzanschlusspunkt oder dem entsprechenden Bezugspunkt auszugleichen. Außerdem muss der Windpark die erzeugte Blindleistung kompensieren sowie verschiedene Leistungsfaktoren festlegen können. Einige Grid-Codes definieren einen bestimmten Leistungsbereich, in dem dies möglich sein muss. Unter Umständen ist der gesamte Leistungsbereich betroffen.

Übertragung großer Datenmengen in Echtzeit

Abb. 3: Spannungseinbruch-Kennlinie verschiedener Länder (Quelle: Risø National Laboratory, Technical University of Denmark, Roskilde, Denmark, July 2007)
Abb. 3: Spannungseinbruch-Kennlinie verschiedener Länder (Quelle: Risø National Laboratory, Technical University of Denmark, Roskilde, Denmark, July 2007)

Die neue VDN-Richtlinie (Verband der Netzbetreiber) fordert, dass die Blindleistung in Windparks am Mittelspannungsnetz proportional zur gemessenen Netzspannung eingestellt werden kann. Hier spricht man von der so genannten Spannungsregelung über eine vorgegebene Blindleistungs-Spannungskennlinie Q(U) (siehe Abb. 3).

In den meisten Windparks wird die Blindleistung durch eine stationäre Kompensationsanlage (Static Synchronous Compensator – STATCOM) geliefert, die direkt am Netzübergabepunkt angesiedelt ist. Moderne WEA sind auch ohne die STATCOM in der Lage, die Q(U)-Kennlinie umzusetzen, was in einer erheblichen Kostenersparnis resultiert.

Werden die Blindleistungsvorgaben nur mit der WEA realisiert, müssen die physikalischen Größen direkt am Einspeisepunkt erfasst werden. Auf der Grundlage dieser Messergebnisse regelt eine überlagerte Steuerung – auch Windfarm-Management-System (WFM) genannt – die Anforderungen des Netzbetreibers im Windpark aus. Dazu kommuniziert das WFM via Ethernet mit jeder Windenergieanlage im Park und überträgt die entsprechenden Sollwerte für die zu erzeugende elektrische Leistung an die WEA-Steuerungen. Im Gegenzug melden alle Anlagen permanent ihren aktuellen Status sowie sämtliche Leistungsparameter an das WFM zurück.

Gleichzeitige Kommunikation mit dem WFM und unterlagerten I/O-Modulen

Die Anforderungen an den beschriebenen Datenaustausch sind hoch. Trotz der großen Datenmenge, die in Echtzeit weiterzuleiten ist, kann der Windanlagen-Betreiber auf eine bewährte Ethernet-Struktur aufsetzen, sofern die Kommunikation zwischen WFM und WEA über das Profinet-RT-Protokoll erfolgt. Der offene Standard für die industrielle Datenübertragung definiert eine Architektur auf Basis von Standard-Ethernet. Profinet erlaubt die Umsetzung verteilter Automatisierungsstrukturen, die Einbindung einfacher dezentraler Feldgeräte sowie den Betrieb von Motion-Control-Anwendungen. Da Profinet RT das Ethernet-Priorisierungsverfahren verwendet, werden die Profinet-Telegramme vorrangig von den Infrastruktur-Komponenten übertragen. Somit ist eine Koexistenz von Profinet RT und der Standard-Ethernet-Kommunikation wie HTTP oder OPC möglich, ohne die Echtzeitfähigkeit zu verlieren.

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