Wie man Inselbetrieb in Solaranlagen erkennt und verhindert

Oliver Watts

Feld: Prüfung und Test

China

Definition des Insel-Effekts

Wenn die Versorgung des Stromnetzes aufgrund von Fehlern, Betriebsfehlern oder geplanten Wartungsarbeiten unterbrochen wird, können dezentrale Erneuerbare-Energiesysteme weiterhin arbeiten und lokale Lasten mit Energie versorgen. Dies führt zur Bildung einer selbstversorgenden „Insel“, die außerhalb der Kontrolle des Energieversorgers liegt.

Gefahren durch den Insel-Effekt

Verlust der Spannungs- und Frequenzregelung: Der Energieversorger kann Spannung und Frequenz im isolierten Bereich nicht regeln. Wenn diese Parameter über zulässige Grenzen hinaus abweichen, können angeschlossene Geräte beschädigt werden.
Überlastungsrisiko: Wenn die Lastanforderungen die Nennleistung des Wechselrichters überschreiten, kann die Energiequelle überlastet werden und thermischen Schaden oder Ausfall erleiden.
Schäden durch automatisches Wiedereinschalten: Das automatische Wiedereinschalten von Schaltstellen in einen isolierten Bereich kann zu unmittelbarem erneutem Auslösen führen und möglicherweise Wechselrichter oder andere Geräte beschädigen.
Sicherheitsrisiko für Personal: Leitungen, die mit dem Wechselrichter verbunden sind, bleiben während Störungen unter Spannung, was ernsthafte elektrische Gefahren für Wartungspersonal darstellt und die Gesamt-Sicherheit des Netzes beeinträchtigt.

Erkennungsmethoden für den Insel-Effekt

Es gibt mehrere primäre Methoden zur Erkennung des Insel-Effekts:

Frequenzdrift-Erkennung: In einem isolierten Mikrogrid weicht die Systemfrequenz typischerweise vom Nennwert des Hauptnetzes ab. Die Überwachung von Frequenzvariationen hilft, Inselbedingungen zu identifizieren. Dies kann mit dedizierten Frequenzüberwachungsgeräten oder SCADA-Systemen implementiert werden.
Erkennung von Blindleistungsänderungen: Ohne Zugriff auf die Blindleistungssupport des Hauptnetzes wird die Beziehung zwischen der Blindleistungsausgabe eines Generators und Laständerungen im Inselmodus charakteristisch. Die Überwachung von Blindleistung oder Leistungsfaktor ermöglicht die Erkennung von Inselbedingungen.
Erkennung von Spannungsanomalien: Spannungsschwankungen in einem isolierten Mikrogrid unterscheiden sich oft signifikant von denen des Hauptnetzes. Die Erkennung solcher Anomalien über Spannungsüberwachungsgeräte kann ein Signal für Inselbedingungen sein.
Analyse der Frequenz-Spannungs-Korrelation: Die dynamische Beziehung zwischen Frequenz und Spannung in einem isolierten System kann sich von der im Netzverbundenen Modus unterscheiden. Die Analyse dieser Korrelation hilft, Inselfälle zu erkennen.
Erkennung von Rückwärtsstromfluss: Während des Inselfalls können dezentrale Generatoren Energie zurück in eine eigentlich entladene Leitung speisen. Die Überwachung der Stromflussrichtung mit Hilfe von Stromanalysatoren oder Schutzrelais kann auf Inselfälle hinweisen.

Hinweis: Je nach spezifischer Konfiguration und Betriebskontext des Mikrogrids kann eine einzelne Methode unzureichend sein. Oft werden passive und aktive Erkennungstechniken kombiniert eingesetzt. Darüber hinaus ist die richtige Auswahl, Kalibrierung und Wartung der Überwachungsgeräte entscheidend, um eine zuverlässige und genaue Erkennung sicherzustellen.

Präventions- und Minderungsstrategien für den Insel-Effekt

Um den Insel-Effekt effektiv zu verhindern oder zu mildern, werden folgende Maßnahmen häufig angewendet:

Zentrale Überwachung und Steuerung: Implementierung eines zentralen Systems zur kontinuierlichen Überwachung des Verbindungszustands und der Betriebsparameter sowohl des Mikrogrids als auch des Hauptnetzes. Bei Erkennung eines Inselfalls sollte das System den isolierten Bereich automatisch trennen.
Zuverlässige Anti-Insel-Steuerlogik: Einsatz robuster Schaltlogiken, die sicherstellen, dass die Wiederanschluss zum Hauptnetz erst erfolgt, wenn stabile Netzzustände bestätigt sind, um unsicheres Wiedereinschalten zu vermeiden.
Intelligente Schutzgeräte: Bereitstellung intelligenter Schutzrelais, die in Echtzeit Spannung, Frequenz und andere kritische Parameter überwachen. Diese Geräte können Wechselrichter autonom abschalten oder Schaltkreise trennen, wenn Inselfälle erkannt werden.
Programmierbare Logiksteuerungen (PLCs): Verwendung von PLCs oder fortschrittlichen Steuerungen, um Trenn- und Wiederanschlussprozeduren basierend auf vordefinierten Sicherheitsregeln und Netzzuständen zu automatisieren.
Intelligentes Lastmanagement: Integration intelligenter Laststeuerungssysteme, um dynamisch Lasten auszugleichen oder abzulegen, während des isolierten Betriebs, um Überlastungen zu vermeiden und die Systemstabilität zu erhöhen.
Konformitätsprüfungen und regulatorische Aufsicht: Einhaltung relevanter Standards (z. B. IEEE 1547, IEC 62109) und regelmäßige Konformitätsprüfungen, um sicherzustellen, dass Anti-Inselfunktionen den Sicherheits- und Leistungsanforderungen entsprechen und damit Risiken sowohl für das Netz als auch für Endnutzer minimiert werden.

Referenzstandards