Netzwechselrichter für Batteriespeicher von Siemens

Es unterstützt die Betreiber dabei, über Batteriespeicher Lastspitzen und Netzstörungen abzufangen und die Energie kosteneffizient zu speichern.

Batteriespeicher etablieren sich im industriellen „Behind-the-meter“-Umfeld, nach dem Stromzähler, immer mehr. Damit steigt der Bedarf an Netzwechselrichtern, die lokal in Photovoltaik- und/oder Windkraftanlagen erzeugte Energie kosteneffizient speichern und nutzbar machen. Mit dem neuen Sinamics PCS hat Siemens ein sehr robustes und kompaktes Power Conversion System für diese Aufgabe sowohl für industrielle als auch öffentliche Stromnetze entwickelt. Wem der Produktname bekannt vorkommt – dahinter steht das in diversen industriellen Anwendungen bewährte Umrichtersystem Sinamics S120. Daraus resultieren vielfältige Vorteile für Planer, Inbetriebnehmer und Betreiber.

Das Wechselrichterschranksystem Sinamics PCS steuert den Lade- und Entladevorgang der Batterie durch Va­riation der DC-Spannung. Es interagiert dabei mit dem anlagenseitigen Mittelspannungstransformator, dem stationären Batteriespeicher mit Batteriemanagement­system und der überlagerten Steuerung.

Eine der Kernaufgaben von Batteriespeichern im industriellen Einsatz ist es, Spitzenlasten abzudecken, diese zu „kappen“, um die vereinbarte Einspeiseleistung bestmöglich auszunutzen und Extrakosten für Lastspitzen zu vermeiden. Das „Peak Shaving“ über ein performantes Batteriespeichersystem ist neben Lastabwurf- und verteilungsstrategien ein bewährtes Mittel, den Energiebezug auf einem gleichbleibenden Niveau zu halten. Batterien liefern schnell zusätzliche Energie und speichern diese in Zeiten geringerer Auslastung. Lassen sich Spitzenlasten dauerhaft und zuverlässig über Energiespeicher und Wechselrichter bewältigen, erübrigen sich kostspielige Erweiterungen in der Energieerzeugung oder -verteilung. Die gleichmäßigere Ausnutzung der Anlagen reduziert darüber hinaus die Energiebezugskosten.

Ein Batteriespeicher liefert zusätzliche Energie, zum Beispiel um laufende Prozesse zu stabilisieren oder diese im Störungsfall koordiniert zu beenden. Das hilft, potenzielle Anlagenschäden und daraus resultierende Produktionsausfälle zu vermeiden. Abgesehen davon macht ein solcher Speicher grundsätzlich unabhängiger vom Netz und verbessert somit die Versorgungsstabilität. Und wer einen höheren Teil seines Bedarfs aus regenerativen Quellen abdeckt, optimiert auch seinen CO2-Footprint. Mit einem Batteriespeichersystem bestehend aus Sinamics PCS und Batterie lassen sich Leistungsschwankungen kompensieren und die Netzfrequenz stabilisieren. Das System liefert kurzfristig Energie ins Netz, wenn die Frequenz zu niedrig ist, und nimmt überschüssige Energie aus dem Netz auf, wenn diese zu hoch ist. Ein einfacher und sehr dynamischer Ansatz, der für stabilen Netzbetrieb sorgt.

Mit der wachsenden Zahl dezentraler Einspeisungen steigen die Anforderungen hinsichtlich Netzstabilität und Versorgungssicherheit, weshalb Batteriewechselrichter immer anspruchsvollere Vorgaben für den Netzanschluss erfüllen müssen. In Deutschland sind diese für Leistungen über 135 kW in der „Technischen Anschlussregel Mittelspannung“ VDE AR N 4110 definiert. Sinamics PCS erfüllt als erstes und bislang einziges Netzwechselrichtersystem von Haus aus diese Anschlussregel. Es übernimmt alle vorgeschriebenen Netzfunktionen, realisiert unter anderem dynamische Netzstützung, optimiert das Blindleistungsverhalten, minimiert Netzrückwirkungen und reduziert die Wirkleistung durch Netzbetreiber. Mit der typgeprüften und zertifizierten Einheit lassen sich stationäre Batteriespeicher mit minimalem Anlagenzertifizierungsaufwand direkt an das öffentliche Mittelspannungsnetz anschließen. Das Einheitenzertifikat deckt frei wählbare Nennnetzanschlussspannungen UNenn,AC im Bereich von 250 bis 500 V AC ab.

Ein (auch vorab erhältliches) validiertes digitales MATLAB/Simulink-Simulationsmodell der Erzeugungseinheit vereinfacht und beschleunigt die Projektplanung und -ausführung weiter. Damit lässt sich das Zusammenspiel mit den weiteren Anlagenteilen Mittelspannungstransformator, Batteriespeicher mit Managementsystem und der überlagerten Steuerung/Regelung sowie das Störverhalten schon im Vorfeld simulieren und optimieren.

Für diverse Industrieanwender besonders interessant ist, dass Sinamics PCS wie die gleichnamigen Antriebsumrichter aus dem Siemens-Portfolio mit dem Tool Sinamics Startdrive im Engineering-Framework- TIA-Portal in Betrieb genommen werden. Wer dieses kennt, kommt praktisch ohne Lernaufwand schnell und gewohnt komfortabel zum lauffähigen System. In Zeiten der fortschreitenden Digitalisierung werden Daten auch in der dezentralisierten Energieversorgung immer bedeutender. Sinamics PCS ist dafür ausgerüstet: Wichtige Betriebszustände und Parameter des Systems lassen sich über die Profinet-fähige Control Unit CU320-2 PN zu überlagerten Instanzen übertragen, visualisieren, überwachen und analysieren. Das hilft, den Betrieb kontinuierlich zu verbessern und punktgenaue Aussagen über anstehende Servicearbeiten zu treffen.

Das 870-kW-Schranksystem integriert auf engstem Raum alle erforderlichen Komponenten: Anschlusstechnik/Steuerung, Netzfilter, Wechselrichter und Flüssigkeitskühlung. Seine industriebewährte Flüssigkeitskühlung hat einen wesentlich günstigeren Wärmeübergangskoeffizienten als luftgekühlte Varianten. Durch eine Pumpe und einen Wärmetauscher werden die passiven Komponenten sehr effektiv und mit deutlich weniger Hilfsenergie gekühlt. Außerdem lässt sich das Komplettsystem einfach in Schalträume oder Container integrieren. Das ermöglicht den ortsflexiblen Einsatz unter rauen Bedingungen, etwa in heißeren Umgebungen/Regionen oder im staubigen Umfeld der Rohstoffgewinnung wie zum Beispiel im Berg- oder Tagebau.

Eine einzige Bestellnummer für das gesamte Schranksystem erspart langwieriges Auswählen und Konfigurieren, was die Erstbestellung sehr vereinfacht. Standardisierte Bauteile aus dem Sinamics-S120-Portfolio reduzieren zudem die Teilevielfalt und vereinfachen die Ersatzteilbeschaffung/-haltung. Im Servicefall bietet das globale Netzwerk von Siemens und seinen (Solution-)Partnern Anwendern schnelle, fundierte Hilfe.