Solar-Photovoltaik-System

Eine Schlüsselkomponente einer Solarstromerzeugungsanlage ist der Photovoltaik-Wechselrichter, der den von Solarmodulen erzeugten Hochspannungsgleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Photovoltaik-Wechselrichter lassen sich anhand ihrer Nennleistung grob in drei Kategorien einteilen: dreiphasige Hochleistungs-Wechselrichter mit einer Ausgangsleistung von mehr als 6 kW, einphasige Mittelleistungs-Wechselrichter mit einer Ausgangsleistung von 1 kW bis 6 kW und Mikro-Wechselrichter mit einer Ausgangsleistung unter 1 kW. In den letzten Jahren haben Wechselrichter mittlerer und niedriger Leistung im Photovoltaikmarkt zunehmend an Bedeutung gewonnen. Aufgrund ihrer relativ geringen Leistungsabgabe werden diese Wechselrichter vor allem in dezentralen Solarstromerzeugungssystemen innerhalb von Mikronetzen eingesetzt.

Als Knotenpunkte in einem Mikronetz werden diese Wechselrichter in großer Zahl in einem bestimmten Gebiet eingesetzt. Beispielsweise installieren viele Haushalte in Regionen wie Europa und den Vereinigten Staaten solche Wechselrichter mittlerer bis niedriger Leistung auf Dächern. Ebenso können Bahnhöfe oder Fabrikdächer eine große Anzahl dieser Wechselrichter nutzen, um kleine Kraftwerke zu bilden. Diese weitverbreitete Verteilung erfordert eine effektive Verwaltung der Wechselrichter in einem bestimmten Bereich, um einen effizienten, sicheren und stabilen Betrieb zu gewährleisten und gleichzeitig eine zeitnahe Reaktion auf die Nachfrage zu ermöglichen. Der Managementansatz besteht darin, die Wechselrichter mit Kommunikationsmodulen auszustatten, sodass ein Überwachungssystem den Status aller Wechselrichter überwachen und bei Bedarf Steuerungs- und Planungsfunktionen ausführen kann.

Eine zuverlässige, kostengünstige und einfach zu wartende Kommunikationsmethode ist für die Konnektivität von Photovoltaik-Wechselrichtern unerlässlich. Zu den derzeit gebräuchlichsten Methoden gehören drahtlose Kommunikation (z. B. Wi-Fi, LoRa), RS485 und Power Line Communication (PLC). Durch die drahtlose Kommunikation entfällt die Notwendigkeit einer Verkabelung, wodurch Kommunikationskabel und Installationsaufwand eingespart werden. Es hängt jedoch stark von den Umgebungsbedingungen ab und ist anfällig für Störungen durch Hindernisse durch Solarmodule und elektromagnetische Störungen.

RS485 bietet eine stabile Kommunikation und starke Anti-Interferenz-Fähigkeiten, birgt jedoch erhebliche Kosten und potenzielle Risiken sowohl bei der Erstinstallation als auch beim anschließenden Betrieb und der Wartung. Im Gegensatz dazu nutzt die SPS vorhandene Stromleitungen für die Datenübertragung, wodurch zusätzliche Verkabelung überflüssig wird, Arbeits- und Materialkosten gesenkt werden und eine effektive Kommunikation zu geringeren Kosten ermöglicht wird, während gleichzeitig eine höhere Zuverlässigkeit als bei drahtlosen Lösungen geboten wird.

Durch die Integration eines SPS-Moduls wird das Photovoltaik-Wechselrichtersystem zu einem Knotenpunkt im Mikronetz, der alle über das Smart Grid übertragenen Daten empfangen kann. Dies ermöglicht eine weitere Funktionserweiterung in der Zukunft.

Abbildung 1 zeigt ein Blockschaltbild eines regionalen Systems für Photovoltaik-Stromerzeugungsanlagen mit SPS-Funktionalität. Bei diesem Aufbau werden SPS-Transceiver-Geräte auf netzgebundenen Photovoltaik-Wechselrichtern innerhalb eines definierten Bereichs installiert und bilden eine Kommunikationstopologie, die Stromleitungen als Kommunikationsbus verwendet. Unter einer bestimmten Anzahl von Geräten innerhalb einer bestimmten Entfernung ist ein Transceiver-Modem erforderlich, um die Datenverarbeitung innerhalb des Bereichs durchzuführen. Zusätzlich kann ein Überwachungscomputer hinzugefügt werden, um Daten über das Netzwerk der oberen Schicht zu übertragen.