Richtig Umrichtern

Das Energieversorgungsnetz ist prinzipiell ein Nullsummenspiel: Alles was an elektrischer Energie eingespeist wird, muss im gleichen Moment auch verbraucht werden – und zwar nur so viel, wie an Einspeiseleistung zur Verfügung steht. Das klingt einfach, doch die Praxis sieht oft anders aus. So stellen die zahlreichen Photovoltaik- und Windanlagen die Netzbetreiber vor enorme Herausforderungen. Die Verbraucher richten sich kaum danach, ob die Sonne scheint oder ein kräftiger Wind bläst. Wie es mithilfe von POWERLINK trotzdem gelingen kann, wird mit den Umrichtern der Flensburger WSTECH GmbH bewiesen.

Auch bei der Erzeugung regenerativer Energie kommt es darauf an, die gesetzlichen Vorgaben zur Mittelspannungsrichtlinie exakt einzuhalten. Dazu zählt nicht nur das reine Einspeisen mit der richtigen Spannung und Frequenz. Vielmehr müssen die Einspeiseanlagen exakte Vorgaben in Bezug auf das Vorhandensein störender Oberwellen einhalten und sich zusätzlich aktiv an der statischen und dynamischen Netzstabilisierung beteiligen können. All das ist Aufgabe der Umrichter, die den Kern einer Einspeiseanlage bilden. Sie bereiten die Gleichspannung der Photovoltaikzellen oder die mit unstetiger Frequenz anliegende Wechselspannung der Windgeneratoren, entsprechend auf und speisen sie bedarfsgerecht ins Versorgungsnetz ein.

Die rund 100 Mitarbeiter des Flensburger Betriebs WSTECH eigneten sich seit der Gründung im Jahr 2001 umfangreiches Know-how an. Zur Expertise zählen die Entwicklung und Fertigung von Controller-Baugruppen, bei denen die Umrichter über deren IGBT-Module mit einem Pulsmuster angesteuert werden. „Diese Baugruppe repräsentiert unsere Kernkompetenz und wird in allen Gerätetypen eingesetzt“, sagt Mark Ahmling, Teamleiter Entwicklung. „Sie schafft mit ihrem schnellen und genauen Reglern die Voraussetzung dafür, dass der Strom sinusförmig und frei von Oberwellen ans Netz kommt.“ Um das zu erreichen, bedienen sich die Entwickler eines Tricks, für den ein leistungsfähiger und nahezu jitterfreier Feldbus existenziell ist.

Dabei werden mehrere Leistungsmodule genau 180 Grad phasenversetzt angesteuert, so dass sich die harmonischen 10 Kilohertz-Oberwellen gegenseitig auslöschen. Somit entstehen keine Oberwellen, die im Nachhinein aufwändig herausgefiltert werden müssten. „Durch diesen Trick können wir nicht nur die Filtertechnik reduzieren, sondern zugleich auch die Betriebssicherheit deutlich erhöhen“, betont Ahmling. Das funktioniert aber nur, wenn alle beteiligten Module auf maximal ± 2μs synchron arbeiten und kommunizieren.

Auf der Suche nach einem geeigneten Bussystem, wurde Ahmlings Team nicht nur auf die Technik von B&R, sondern insbesondere auf POWERLINK aufmerksam. Die Wahl fiel dabei auf eine X20-Steuerung, die als Hauptsteuerung mit den Controllern, Messplatinen und weiteren Komponenten über POWERLINK verbunden ist. Das praktisch jitterfreie SoC-Signal (= Ein-Chip-System) von POWERLINK sorgt nun für den exakten Synchronlauf aller Komponenten und ist damit der Schlüssel zum Erfolg. Hinzu kommt, dass zugleich auch noch ein umfangreicher Datenaustausch in Echtzeit erfolgen kann, was diesen Bus von seinen Mitbewerbern unterscheidet.

Der Einsatz der X20-Steuerung generiert für WSTECH noch weitere Vorteile. „Das echtzeitfähige Betriebssystem Automation Runtime macht uns unabhängig von Microsoft und mindert zugleich das Risiko durch Schadsoftware“, begründet der Entwickler die Auswahl. „Zugleich ist uns die Offenheit bei der Wahl unterschiedlicher Schnittstellen wichtig.“ Diese wird benötigt, um auch mit anderen Systemen kommunizieren zu können, bei denen derzeit noch das Modbus-Protokoll als Standard gesetzt ist. Für Ahmling ist auch die Möglichkeit der Fernwartung wichtig, denn WSTECHSysteme werden weltweit exportiert. Die Fernwartung wird über die im B&R-Engineering-Tool Automation Studio integrierte Visualisierungs-Software Visual Components 4, in Verbindung mit einem inkludierten VNC-Server, realisiert. Damit kann sich ein Servicetechniker weltweit in eine Anlage einloggen und deren Zustand online analysieren sowie bei Bedarf steuernd eingreifen.

Durch die regenerative Energieerzeugung gibt es viele dezentrale Einspeisepunkte. Mit deren Anzahl steigen auch die Anforderungen an die Netzstabilität. Um diese zu gewährleisten, müssen die beteiligten Komponenten immer schneller auf die Steuerbefehle der Netzmanagementsysteme reagieren und diese immer genauer regeln.

„Speziell im Bereich Windenergie sind Kommunikationszyklen von 10 bis 40 Millisekunden heute bereits Standard und in Zukunft werden diese Zyklen mit Sicherheit noch kürzer. Daher ist es gut, schon heute dafür gerüstet zu sein“, sagt Ahmling. Mit dem realisierten Systemkonzept wird das möglich. Damit erschließen sich auch noch weitere Anwendungsgebiete für die WSTECH-Umrichter, wie Batteriespeicher, um überschüssige Energie mit hoher Dynamik aufzunehmen und bei Bedarf wieder abzugeben. Ein Beispiel dafür ist der Lithium-Ionen-Batteriespeicher in Jardelund (Schleswig-Holstein), der über 48 Megawatt Leistung und eine Speicherkapazität von 50 Megawattstunden verfügt. So lassen sich in Sekundenbruchteilen Strom speichern oder einspeisen, was für eine hohe Netzstabilität entscheidend ist.

Im Bereich der übergeordneten Anlagenkommunikation wird ein standardisiertes, echtzeitfähiges und vor allem sicheres IT-Netzwerk benötigt, wofür das B&R-System mit der Verfügbarkeit von OPC UA und dem echtzeitfähigen Ethernet auf Basis des Time-Sensitive-Networking- Standards (TSN) beste Voraussetzungen bietet.