Die staatliche Subvention von Photovoltaikanlagen im Allgemeinen sowie die Einspeiserückvergütung sorgten vor einigen Jahren für einen regelrechten Boom von großflächigen Solarparks. Heute tragen großflächige Solarparks im Zuge der Energiewende maßgeblich zu unserer Energieversorgung bei. Da ist es verständlich, dass die Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit und Hochverfügbarkeit von Solarparks steigen.
Als elektrische Anlagen gemäß der VDE0100-700 müssen Photovoltaikanlagen in Deutschland jährlich geprüft werden. Dies ist jedoch wirtschaftlich nicht sinnvoll. Daher wird diese Maßnahme von vielen Betreibern vermieden und durch ein permanentes Anlagenmonitoring in Kombination mit Wartungen entsprechend VDE105-100 (Betrieb von elektrischen Anlagen Teil 100: Allgemeine Festlegungen) ersetzt.
Die Besonderheiten von PV-Generatoren
Die elektrischen Betriebsmittel von PV-Generatoren stehen auf der Gleichspannungsseite dauerhaft unter Spannung, weshalb viele der bekannten elektrotechnischen Schutzmaßnahmen nicht einfach übernommen und angewendet werden können. Diese Besonderheit im Vergleich zu anderen elektrischen Anlagen führte dazu, dass für Photovoltaikanlagen eine eigene Norm VDE0100-712 (Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme) eingeführt wurde.
Vor allem der Einsatz von doppelter oder verstärkter Isolierung sowie der beschränkte Zugang auf das Gelände von großflächigen Solarkraftwerken sorgt für die notwendige Sicherheit. Autorisiertes und geschultes Personal weiß in der Regel wie es sich vor elektrischen Gefahren schützen kann und hat die notwendige Ausrüstung dabei. Die im Laufe der Zeit wirkenden Umwelteinflüsse und der Materialverschleiß trieben die Degradation der Solarparks enorm voran. Diese Abnutzungserscheinungen führen zu Leistungsminderungen und extremen Verschlechterungen der elektrischen Eigenschaften, bis hin zu teilweisen oder kompletten Anlagen-Ausfällen.
Was ist Degradation?
Der natürliche Alterungsprozess von Solaranlagen und der damit einhergehende Leistungsverlust wird in der Branche allgemein als „Degradation“ bezeichnet. Oft sind deren Folgen offensichtlich, wie zum Beispiel bei defekten Halbleiterzellen von Solarmodulen, welche sich optisch von funktionierenden Zellen unterscheiden. Dahinter verbirgt sich ein physikalischer Effekt, welcher als Potentialinduzierte Degradation (PID)bezeichnet wird.
Wie entsteht Potentialinduzierte Degradation (PID)?
Durch die Reihenschaltung von Zellen und PV-Modulen in Freiflächenanlagen entstehen hohe Spannungswerte bis zu DC 1500 V. Dies begünstigt jedoch Leckströme zwischen den Solarzellen, dem Trägermaterial, dem Glas und den geerdeten Modulrahmen. Die dadurch entstehenden physikalischen Effekte sorgen für Schäden an den Halbleiterzellen der Photovoltaik-Module und führt zu einem reduzierten Wirkungsgrad des gesamten PV-Generators. Insbesondere Modultypen aus kristallinem Silizium sind davon betroffen.
Was lässt sich gegen PID unternehmen?
Mit Hilfe von PID-Shifting (auch PID-Recovery genannt) lassen sich die PID-Effekte umkehren. Dafür wird die gesamte PV-Anlage auf ein hohes, positives Potenzial (bis zu +1000 Volt gegen Erde) gebracht und macht so den im Betrieb entstandenen Polarisationseffekt wieder rückgängig. Diese Potentialverschiebung setzt jedoch voraus, dass die installierten Isolationsüberwachungsgeräte (IMD) deaktiviert werden. Anderenfalls werden Isolationsfehler angezeigt oder die PV-Generatoren aufgrund der entstehenden Fehlermeldung sogar abgeschaltet.
Isolationsüberwachungsgeräte mit adaptivem Messverfahren ermöglichen eine präzise Überwachung der Anlagen mit Rücksicht auf die aktuellen Umgebungsbedingungen. Nach einer Deaktivierung des IMD und dem späteren Zuschalten, muss das Gerät in der Lage sein, die zu diesem Zeitpunkt vorherrschenden Umgebungsbedingungen sowie die spezifischen elektrischen Eigenschaften des PV-Generators zu adaptieren. Dazu gehört unter anderem die wetterbedingte Veränderung der Ableitkapazität.
Das Isolationsüberwachungsgerät isoPV1685 der Produktserie ISOMETER® von Bender ist nicht nur für Solar-Parks mit DC 1500 V oder AC 1000 V geeignet, sondern verfügt auch über das beschriebene adaptive Messverfahren und eignet sich somit bestens im Zusammenspiel mit dem PID-Shifting. Die erfassten Messwerte und Trendkurven können entweder über das Display abgelesen oder via Modbus an ein übergeordnetes Leitsystem kommuniziert werden.
Das Problem mit den abnehmenden Isolationswerten
Isolationsfehler sind im Vergleich zu den PID-Effekten deutlich weniger offensichtlich. Die Ursachen liegen auch hier in der Verwitterung von Kabeln oder bei Tierfraß, der in unterirdischen Kabelkanälen vorkommen kann. Menschliche Fehler und unabsichtliche Beschädigungen der Kabel führen natürlich auch zu Schwachstellen, die mit Hilfe von Isolationsüberwachungssystemen (IMD) entdeckt werden.
Eines ist unstrittig: Das Isolationsniveau einer PV-Anlage wird mit fortschreitendem Alter mehr und mehr abnehmen und kann sogar sehr kritische Werte erreichen. Daher ist es für Betreiber essenziell wichtig, den historischen Verlauf der Isolationswerte nachverfolgen zu können, um Trends frühzeitig zu erkennen. Mit Hilfe von Kommunikationsschnittstellen wie Modbus können Messwerte an ein übergeordnetes Monitoringsystem übertragen werden. Dies führt zu einem Informationsvorsprung, der dem Betreiber ermöglicht frühzeitige Gegenmaßnahmen einzuleiten und die Funktionalität der Anlage aufrechtzuerhalten.
Das Ablesen von Isolationswerten über ein im Isolationsüberwachungsgerät integrierten Display hilft Technikern vor Ort, den Zustand der Anlage selbst zu beurteilen. Anhand von anlagenspezifischen Alarmwerten haben die Fachkräfte vor Ort einen weiteren Anhaltspunkt, wie die aktuellen Werte einzuschätzen sind. Speziell bei Repowering-Maßnahmen ist die Anzeige der „IST-Werte“ extrem hilfreich.
Schutz vor Bränden in Solaranlagen
Für den Anlagenschutz und die Brandverhütung wird auch in der Norm die schnellstmögliche Beseitigung von Isolationsfehlern empfohlen. Damit dies gelingt, ist jedoch eine permanente Isolationsüberwachung notwendig, um auftretende Fehler rechtzeitig zu entdecken. Wie granular die Isolationsüberwachung arbeitet, hängt vom jeweiligen Aufbau der Photovoltaikanlage ab.
PV-Generatoren mit einem zentralen Wechselrichter verfügen in der Regel über eine zentrale Isolationsüberwachungseinrichtung. Dabei wird ein möglicher Isolationsfehler zwar erkannt, aber die Lokalisierung stellt sich sehr schwierig dar, weil die gesamte Anlage als mögliche Fehlerursache zu betrachten ist.
Im Betrieb mit einzelnen Stringwechselrichtern wird jedem String auch eine separate Isolationsüberwachung zugeordnet, was die Fehlersuche zumindest auf den betreffenden Strang eingrenzt.
Was ist Repowering?
Das Repowering zielt darauf ab, alte Photovoltaikanlagen zu ertüchtigen und wieder auf ein akzeptables technisches Niveau zu bringen. Zu den Herausforderungen dabei zählt jedoch ein fehlender Produktsupport, da manche Ersatzteile nicht mehr verfügbar sind. Noch viel schwerwiegender ist aber ein schlechtes Isolationsniveau des PV-Generators, da dies eine Grundlage für den sicheren Betrieb darstellt – vor, während und nach einer Repowering-Maßnahme.
Fazit
Der sichere Betrieb von Solarparks im Megawatt-Bereich steht und fällt nicht nur mit dem Betreiberkonzept. Die elektrische Sicherheit wird maßgeblich geprägt durch eine funktionierende Isolationsüberwachungseinrichtung mit einem adaptiven Messverfahren, denn nur damit ist es möglich, die wechselnden Umgebungsbedingungen sowie die dadurch geänderten physikalischen Eigenschaften des PV-Generators in Verbindung mit einem automatisierten PID-Shifting zu verarbeiten und korrekte Messergebnisse zu liefern.
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