Skalierbare Energieversorgung ohne Systemgrenzen
In über 3.000 Solar- und Energiespeicherprojekten mit insgesamt 120 GW installierter Leistung hat der spanische Konzern Power Electronics sein umfassendes Know-how in der nachhaltigen Energieversorgung bewiesen. Bei der Steuerung seiner modularen Anlagen setzt das Unternehmen auf die offene und performante Steuerungstechnik von Beckhoff: Leistungsfähige Embedded-PCs in Kombination mit TwinCAT ermöglichen eine flexible Skalierung und dynamische Lastwechsel von 330 MW in 110 ms.
Die auf Wechselrichter für Dienstleistungs- und Batteriespeichersysteme spezialisierte Power Electronics in Llíria bei Valencia ist ein führender Hersteller von Solar-Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen in der ganzen Welt. Das 1987 gegründete Unternehmen ist in 36 Ländern vertreten und hat mehr als 3.000 Solar- und Energiespeicherprojekte mit 120 GW installierter Leistung (AC) realisiert, die die Freisetzung von fast 120 Mio. t CO2 verhindern. Neben der Produktion von Solar-, Batterie- und Hybridwechselrichtern liefert Power Electronics auch ein eigenes Steuerungssystem für die Anlagen, mit Battery Controller Interface (BCI) und dem Power Plant Controller (PPC) als Kernelemente.
Eine Anlage besteht aus vielen einzelnen Power Blocks mit Solar- und/oder Batteriemodulen, die von jeweils einem BCI auf Basis von PC-based Control überwacht und gesteuert werden. Ein Power Block enthält einen Wechselrichter für die Solarmodule sowie einen DC/DC-Wandler, wenn zusätzlich Batteriespeicher eingesetzt werden. Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung der Solarmodule in Wechselspannung, um bedarfsabhängig entweder das Netz oder die Batterien bidirektional zu versorgen. Die übergeordnete Steuerung und Koordination aller Power Blocks einer Anlage entsprechend den Anforderungen der Netzbetreiber übernimmt der zentrale PPC.
Höhere Wirtschaftlichkeit durch dynamische Steuerung
Mit seiner jahrzehntelangen Expertise gewährleistet das Unternehmen die Einhaltung der anspruchsvollen und weltweit unterschiedlichen Netzvorschriften der Energieversorger, die u. a. das Verhalten der Anlagen zur Stabilitätssicherung der Energienetze bei Ereignissen definieren. „Erfüllt eine Anlage darüber hinaus noch strengere Anforderungen hinsichtlich der Reaktionszeiten, kann die Anlage sogenannte Unterstützungsdienste leisten“, betont David Dobón, Applications Engineering Manager bei Power Electronics, die Wichtigkeit einer performanten Steuerungstechnik. Der Vorteil für die Betreiber: Sie können die ins Netz eingespeiste Energie zu einem höheren Preis verkaufen. „Anfangs konnten wir unsere Anlagen in 130 ms beispielsweise von 150 MW Leistungsaufnahme auf 180 MW Einspeisung umsteuern, inzwischen schaffen wir das sogar in 110 ms“, betont Agustin Cano, Team Leader Control Systems bei Power Electronics. Voraussetzung für solch extrem kurze Umschaltzeiten ist das schnelle und ausgeklügelte Automatisierungssystem, das Power Electronics mit Hard- und Software von Beckhoff realisiert hat und damit alle drei Varianten der Power Blocks steuern kann: Solar, Batterie und Hybrid.
Herausforderung hybride Power Blocks
„Das komplexeste Szenario entsteht, wenn der Wechselrichter einer BCI sowohl Solarmodule als auch Batterien gleichzeitig verwaltet“, so Hector Ortega, Team Leader Software bei Power Electronics. Diese hybriden Power Blocks arbeiten dann als kleine autonome Solarplantage und müssen sich quasi in Eigenregie verwalten, um das Energiegleichgewicht zu gewährleisten.
Als Steuerung für die unterschiedlichen Battery Controller Interfaces nutzt Power Electronics die Beckhoff Embedded-PCs der Serie CX mit TwinCAT 3 PLC (TC1200). „Abhängig von der Konfiguration eines Power Blocks kommt z. B. ein Embedded-PC CX5120 oder CX5240 mit einem Prozessor vom Typ Intel Atom® zum Einsatz“, präzisiert Javier Menchén, Technischer Support von Beckhoff Spanien. Die BCI kommunizieren über Modbus TCP mit den Wechselrichtern, Batterien sowie den anderen Komponenten und führen komplexe Steuerungsalgorithmen mit sehr kurzen Zykluszeiten aus.
Auf den Embedded-PCs der Steuerungen ist ebenso TwinCAT 3 PLC HMI Web (TF1810) als Visualisierung installiert. Dies ermöglicht es dem Service-Personal, die Parameter der angeschlossenen Geräte direkt vor Ort oder remote über eine Webschnittstelle aufzurufen.
Künftige Funktionserweiterungen und Optimierungen der Software werden voraussichtlich zusätzliche Rechenleistung erfordern. Die Performance lässt sich dann durch einen Wechsel auf einen Embedded-PC CX5330 mit zwei CPU-Kernen problemlos anpassen. Dazu sagt Miquel Coca, Vertrieb Beckhoff Spanien: „Beckhoff erweitert regelmäßig das Portfolio an Industrie-PCs und Embedded-PCs um leistungsstärkere Varianten und stellt gleichzeitig die langfristige Verfügbarkeit und einfache Skalierbarkeit der Steuerungsrechner sicher.“
Batteriespeicher als dynamische Regelreserve
Der PPC überwacht und steuert mehrere BCIs und ist als Schlüsselelement für die Koordination aller Power Blocks einer Anlage verantwortlich. Hier setzt Power Electronics auf einen Embedded-PC CX2033 mit AMD RyzenTM Prozessor. „Bei einem Projekt haben wir mit dem Embedded-PC schon 160 BCIs koordiniert und sind dabei noch nicht in die Nähe von dessen Leistungsreserve gekommen“, so David Dobón. Der PPC erfasst und verarbeitet über das Kommunikationsprotokoll ADS die Informationen jedes BCI und liefert ihnen die Betriebssollwerte. „ADS ist sehr schnell, flexibel und ermöglicht die Kommunikation über das Ethernet-Netzwerk der Anlage“, stellt Miquel Coca heraus. Auch bei der Software des PCC sind Erweiterungen geplant, sodass hier in Zukunft der Einsatz eines Embedded-PC CX2043 mit vier CPU-Kernen vorgesehen ist.
Offenheit erleichtert Systemintegration
„Die Nutzung eines Steuerungs-PC mit offenem Betriebssystem ermöglicht die Integration von .Net-Code, was für uns von großem Vorteil ist“, zeigt Hector Ortega ein wichtiges Merkmal von PC-based Control von Beckhoff auf. Power Electronics konnte damit das von vielen Energieversorgern für die Kommunikation zwischen dem übergeordneten SCADA-System und den Unterstationen genutzte Fernwirkprotokoll DNP3 implementieren. Zudem werden mit .Net die Datenbanken verwaltet und die Visualisierung entwickelt.
„Das Echtzeit-Task-Management von TwinCAT, zusammen mit den leistungsstarken Embedded-PCs, ist essenziell, um die kurzen Reaktionszeiten der Solaranlagen und Batteriespeicher zu gewährleisten“, betont Agustin Cano. Darüber hinaus seien die bereitgestellten Diagnosetools von TwinCAT äußerst hilfreich, um die Ausführungszeit jeder Task über alle Kerne und Zyklen hinweg zu überwachen. Die Kompatibilität der Hard- und Software sei ein weiteres Kriterium gewesen, Beckhoff als Lieferanten auszuwählen. Darüber hinaus habe die Zusammenarbeit zwischen den Teams von Power Electronics und Beckhoff bei der Klärung technischer Fragen schnell, reibungslos und effizient funktioniert.
