Technische InfosZusammenfassung
Ein BESS (Battery Energy Storage System) ist keine passive Last: Sein bidirektionaler Wechselrichter (PCS) speist einen begrenzten, aber realen Fehlerstrom ein, dessen Dynamik sich von der einer rotierenden Quelle unterscheidet. Wird ein BESS in eine bestehende Anlage integriert, insbesondere in Kombination mit einer Photovoltaikanlage, ist eine Neuberechnung der Kurzschlussströme an jedem Punkt des Netzes erforderlich – nicht nur am Anschlusspunkt. Andernfalls besteht das Risiko, dass nachgelagerte Schutzeinrichtungen und Kabel unterdimensioniert sind.
Ein schnell wachsender Markt, angetrieben vom Bedarf an Netzflexibilität
Die Batteriespeicherung erreicht in Frankreich eine neue Größenordnung, mit unmittelbarer Relevanz für den deutschen Markt, in dem sich eine vergleichbare Entwicklung abzeichnet. Laut dem technischen Datenblatt, das RTE (der französische Übertragungsnetzbetreiber) im Rahmen seines Netzentwicklungsplans veröffentlicht hat, sind derzeit etwa 1 GW stationäre Batteriespeicher an das französische Stromnetz angeschlossen, bei einer durchschnittlichen Leistung von 20 MW pro Standort. RTE rechnet mit weiteren 6 GW an Batteriespeicherkapazität, um den Flexibilitätsbedarf des Stromnetzes zu decken. Langfristig geht die RTE-Prospektivstudie „Energiezukünfte 2050“ je nach Szenario von 21 bis 26 GW an erforderlicher Batteriespeicherkapazität aus, um den Ausbau der fluktuierenden erneuerbaren Energien zu begleiten.
Dieses Wachstum hat direkte Auswirkungen auf Installateure und Integratoren: Immer mehr BESS werden in bereits bestehende elektrische Anlagen integriert, insbesondere in gewerblich oder industriell genutzte Photovoltaikanlagen. Diese nachträgliche Integration stellt das bestehende elektrische Schutzkonzept vor neue Herausforderungen. Ein Schutzkonzept, das ursprünglich für eine einzige Quelle das Netz ausgelegt wurde, muss möglicherweise angepasst werden, sobald eine zweite aktive Quelle die Höhe und das Verhalten der Fehlerströme verändert.
Trace Software unterstützt seit mehreren Jahren Planungsbüros und Installateure bei der Dimensionierung von Nieder- und Hochspannungsanlagen mit der elec calc-Produktfamilie sowie bei der Planung von Photovoltaikanlagen mit der archelios-Produktfamilie. Diese doppelte Expertise in den Bereichen Elektrotechnik und Solarenergie versetzt das Unternehmen in eine ideale Position, um ein Thema an der Schnittstelle beider Bereiche zu adressieren: den Beitrag der Energiewandler von Speichersystemen zu den Kurzschlussströmen einer elektrischen Anlage.
Integrieren Sie BESS in bestehende Anlagen und möchten Sie Ihre Schutzvorrichtungen überprüfen?
Eine Demonstration von elec calc zeigt Ihnen, wie dieser Beitrag berechnet wird.
Das BESS: eine kurze Auffrischung, bevor es um den Schutz geht
Was bedeutet BESS?
BESS steht für Battery Energy Storage System, auf Deutsch Batteriespeichersystem. Es bezeichnet ein Gesamtsystem aus Batteriepack, Batteriemanagementsystem, Leistungsumwandlungssystem und Energiemanagementsystem. Es speichert elektrische Energie, um sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder bereitzustellen.
Welche Aufgaben übernimmt ein BESS?
Ein BESS kann mehrere Funktionen innerhalb einer elektrischen Anlage übernehmen. Es speichert überschüssige Solarenergie, um den Eigenverbrauch zu optimieren. Es kann Nachfragespitzen reduzieren, um den leistungsbezogenen Anteil der Stromrechnung zu senken.
Darüber hinaus kann ein BESS Systemdienstleistungen für den Netzbetreiber bereitstellen, beispielsweise im Rahmen der Primärregelreserve oder beim Lastmanagement während hoher nationaler Verbrauchsspitzen eine Rolle, die RTE im Zusammenhang mit dem Ausgleich von Angebot und Nachfrage dokumentiert.
Ein BESS kann außerdem bei einem Stromausfall die Versorgung kritischer Lasten sicherstellen. Die Grundlage all dieser Funktionen bildet derselbe technische Baustein: das PCS (Power Conversion System). Es wandelt den Gleichstrom der Batterien in netzkonformen Wechselstrom um und ermöglicht auch die umgekehrte Energieflussrichtung.
Warum ist ein PCS-Wechselrichter im Hinblick auf den Kurzschluss keine passive Quelle?
Hier liegt ein häufig übersehener technischer Punkt. Bei der Berechnung der Kurzschlussströme einer Anlage werden traditionell vor allem klassische Quellen berücksichtigt: das vorgelagerte Netz über den Transformator und gegebenenfalls ein Notstromgenerator oder Synchrongenerator. Diese Quellen basieren auf rotierenden Maschinen, deren Verhalten im Fehlerfall gut bekannt ist und in Berechnungssoftware für elektrische Anlagen ausführlich berücksichtigt wird. Ein bidirektionales BESS-Leistungsumwandlungssystem (PCS) fällt in keine dieser beiden Kategorien. Es ist jedoch auch keine rein passive Last, die bei der Kurzschlussberechnung vernachlässigt werden kann.
Tritt ein Fehler im Netz auf, speist die Leistungselektronik des Wechselrichters für kurze Zeit weiterhin einen Fehlerstrom ein. Dieser Beitrag ist in seiner Amplitude begrenzt üblicherweise auf etwa das Ein- bis Zweifache des Nennstroms des Wechselrichters, abhängig von der eingesetzten Regelungstechnik. Damit liegt er deutlich unter dem Beitrag einer rotierenden Quelle. Er ist jedoch keineswegs vernachlässigbar. Vor allem unterscheidet sich seine Dynamik grundlegend von der einer rotierenden Maschine.
Um diesen Beitrag im Kontext der verschiedenen Fehlerstromarten besser einzuordnen, beschreibt unser Artikel zu den unterschiedlichen Arten von Kurzschlussströmen die charakteristischen Werte, auf die es bei der Analyse zu achten gilt. Eine rotierende Quelle liefert einen Fehlerstrom, der entsprechend einer Zeitkonstante, die von ihren elektromagnetischen Eigenschaften abhängt, allmählich abklingt. Ein PCS, das von einer schnellen Leistungselektronik gesteuert wird, reagiert innerhalb weniger Millisekunden und kann über die Fehlerdauer ein begrenztes und nahezu konstantes Stromverhalten aufweisen, bevor seine internen Schutzfunktionen den Wechselrichter abschalten.
Dieser Unterschied in der Dynamik beeinflusst die Auslegung und Koordination der nachgelagerten Schutzeinrichtungen, insbesondere im Hinblick auf die Strom- und Zeitselektivität.
Die Norm IEC 60909, in Deutschland als DIN EN 60909-0 (VDE 0102) umgesetzt, ist die internationale Referenz der Internationalen Elektrotechnischen Kommission für die Berechnung von Kurzschlussströmen in Drehstromnetzen. Sie legt die allgemeine Methode zur Berechnung der Beiträge der verschiedenen Quellen fest. Statische Quellen wie BESS-Konverter verhalten sich dabei nicht wie die klassischen Synchron- oder Asynchronmaschinen, die von dieser Norm bereits seit Langem abgedeckt werden. Daher erfordert die Modellierung ihres Beitrags besondere Aufmerksamkeit.
Das Risiko einer Unterdimensionierung der Schutzeinrichtungen beim Hinzufügen eines BESS
Das häufigste Szenario in der Praxis ist die Integration eines BESS in eine bestehende Anlage, oft als Ergänzung zu einer bereits installierten Photovoltaikanlage. Der Installateur oder das Planungsbüro, das für das Projekt verantwortlich ist, überprüft naturgemäß den Anschlusspunkt des BESS und stellt sicher, dass die dortigen Schutzeinrichtungen dem maximal zu erwartenden Kurzschlussstrom standhalten. Diese Prüfung ist notwendig, aber nicht ausreichend.
Das Problem besteht darin, dass eine zusätzliche aktive Quelle die Höhe der Fehlerströme in der gesamten elektrischen Anlage verändert – nicht nur am Anschlusspunkt des BESS. Ein Fehler an einer Unterverteilung, die weit vom BESS entfernt liegt, führt nun zu einem kombinierten Strombeitrag aus dem Netz und dem PCS.
Wurden die Schutzeinrichtungen zwischen dieser Unterverteilung und dem BESS nicht unter Berücksichtigung dieses zusätzlichen Beitrags neu berechnet, entstehen zwei Risiken. Das erste ist ein unzureichendes Kurzschlussschaltvermögen eines Leistungsschalters oder einer Sammelschiene, die nicht für diesen zusätzlichen Kurzschlussstrom ausgelegt wurde. Das zweite, oft heimtückischere Risiko ist ein Verlust der Selektivität zwischen vor- und nachgelagerten Schutzeinrichtungen. Dadurch kann ein Leistungsschalter auslösen, der nicht unmittelbar vom Fehler betroffen ist, anstatt des Schutzgeräts, das dem Fehlerort am nächsten liegt.
Dieses Risiko ist umso relevanter, als der Beitrag eines PCS auch wenn er in seiner Amplitude begrenzt ist ausreichen kann, um eine bereits knapp bemessene Schutzauslegung zu beeinflussen. Dies gilt insbesondere für ältere gewerbliche Anlagen, deren Schutzeinrichtungen bereits bei der ursprünglichen Planung relativ eng dimensioniert wurden.
Auch das in der Anlage verwendete Erdungssystem bzw. die Netzform beeinflusst, wie sich dieses Risiko auswirkt. Unser Artikel zu den Netzformen beschreibt die Besonderheiten von TN-C, TN-S, IT und TT, die bei dieser Art der Integration berücksichtigt werden müssen.
Kurzschlussströme (Ik) an jedem Punkt des Netzes neu berechnen – nicht nur am Anschlusspunkt
Die korrekte Vorgehensweise besteht darin, den vollständigen Einlinienschaltplan der Anlage nach der Integration des BESS heranzuziehen und den Kurzschlussstrom an jedem Netzknoten neu zu berechnen. Dabei müssen sowohl der Beitrag des vorgelagerten Netzes als auch der Beitrag des PCS gleichzeitig berücksichtigt werden.
Dieses Vorgehen umfasst mehrere aufeinanderfolgende Prüfschritte:
- Alle potenziellen Fehlerorte identifizieren, die zwischen dem Anschlusspunkt des BESS und den Verbrauchspunkten liegen, einschließlich solcher, die sich scheinbar weit vom Speicher entfernt befinden.
- Den Beitrag des PCS anhand seiner tatsächlichen Strombegrenzungskennlinie modellieren, die vom Konverterhersteller bereitgestellt wird, anstatt ihn mit einer klassischen rotierenden Quelle gleichzusetzen oder schlicht zu vernachlässigen.
- Das erforderliche Schaltvermögen jedes Leistungsschalters unterhalb des BESS-Einspeisepunkts neu berechnen.
- Die Selektivität zwischen vor- und nachgelagerten Schutzeinrichtungen über die gesamte Kette erneut überprüfen, unter Berücksichtigung der spezifischen Reaktionszeit des PCS.
- Erneut überprüfen, ob die thermische Kurzschlussfestigkeit der Kabel angesichts der berechneten thermischen Belastung weiterhin ausreichend ist.
- Die Ergebnisse in einer aktualisierten Berechnungsdokumentation festhalten, die im Falle einer Prüfung oder eines Schadensfalls als Nachweis dienen kann.
Dieser Ansatz erfordert ein Kurzschlussberechnungswerkzeug, das den Beitrag eines BESS-PCS nativ berücksichtigen kann und sich nicht ausschließlich auf klassische Quellen beschränkt. Genau hier stoßen viele der auf dem Markt verfügbaren Softwarelösungen an ihre Grenzen.
Fallstudie: Ein gewerbliches BESS mit 800 kWh als Ergänzung zu einer bestehenden PV-Anlage
Nehmen wir das repräsentative Beispiel eines Gewerbegebäudes mit einer Photovoltaikanlage auf dem Dach, die seit mehreren Jahren an die allgemeine Niederspannungshauptverteilung angeschlossen ist. Der Standortbetreiber entscheidet sich, ein BESS mit 800 kWh hinzuzufügen, um Leistungsspitzen zu kappen und einen Teil der überschüssigen Solarproduktion zu vermarkten. Das BESS wird an dieselbe Hauptverteilung wie die PV-Anlage angeschlossen. Eine solche Installation unterliegt häufig einem spezifischen regulatorischen Rahmen, der in unserem Artikel zu den ICPE-Vorschriften für PV-Anlagen und Batteriespeicher in Lagerhallen näher beschrieben wird.
Zum Zeitpunkt der Installation wird der Anschlusspunkt des BESS korrekt überprüft: Die dortigen Schutzeinrichtungen halten dem kombinierten Beitrag aus Netz, PV-Wechselrichter und BESS-PCS stand. Die nachgelagerten Unterverteilungen, die beispielsweise die verschiedenen Gebäudeetagen versorgen, wurden hingegen nicht neu berechnet, da sie bereits bei der ursprünglichen Installation der Photovoltaikanlage noch ohne Batteriespeicher validiert worden waren. Eine vollständige Neuberechnung, die den Beitrag des PCS an jedem Netzpunkt berücksichtigt, zeigt jedoch, dass eine der Unterverteilungen, die bereits mit dem alleinigen Beitrag von Netz und PV nahe an ihrer Grenze lag, nach Hinzufügen des BESS-Beitrags das Kurzschlussschaltvermögen ihres Leistungsschalters leicht überschreitet.
Die vor der Speicherinstallation vorhandene Sicherheitsmarge ist damit aufgebraucht. Eine solche Situation lässt sich nicht erkennen, wenn man sich ausschließlich auf den Anschlusspunkt des BESS konzentriert. Sie wird erst sichtbar, wenn die Kurzschlussberechnung über den gesamten elektrischen Verteilungsbaum des Gebäudes hinweg erneut durchgeführt wird.
Dieser Fall verdeutlicht, warum die Prüfung allein des Anschlusspunkts – so gründlich sie auch sein mag – nicht davor schützt, dass sich die Schutzkoordination an anderer Stelle der Anlage verändert.
Sie arbeiten an einem BESS-Projekt und haben Zweifel an der Kurzschlussfestigkeit Ihrer bestehenden Schutzeinrichtungen oder Kabel? Dieses Szenario lässt sich direkt mit elec calc im Rahmen einer individuellen Demonstration testen.
Die Schutzkoordination nach der Integration eines BESS absichern: die Checkliste für Installateure
Vor der Inbetriebnahme eines BESS in einer bestehenden Anlage lassen sich durch einige gezielte Prüfungen die meisten Störungen vermeiden, die auf eine unzureichende Schutzkoordination zurückzuführen sind. Diese Punkte decken sich auch mit mehreren Fehlern, die in unserem Artikel zu den häufigsten Fehlern bei Arc-Flash-Studien aufgeführt sind einem Thema, das unmittelbar mit der Genauigkeit der Kurzschlussberechnung zusammenhängt.
- Sicherstellen, dass das verwendete Berechnungswerkzeug den spezifischen Ik-Beitrag des PCS anhand seiner eigenen Strombegrenzungskennlinie berücksichtigt, anstatt eine Näherung auf Basis einer rotierenden Quelle zu verwenden.
- Den vollständigen Einlinienschaltplan nach der Integration des BESS heranziehen und den Kurzschlussstrom Ik an jeder Unterverteilung, jedem Abgang, jeder Sammelschiene und jedem Kabel zwischen Einspeisepunkt und Verbrauchern neu berechnen.
- Das Schaltvermögen jedes Leistungsschalters überprüfen, der den Kurzschlussströmen der Anlage ausgesetzt ist einschließlich der Verteilungen, die durch die Arbeiten physisch nicht verändert wurden.
- Sicherstellen, dass die thermische Kurzschlussfestigkeit der Kabel unter Berücksichtigung der berechneten Kurzschlussströme und der daraus resultierenden thermischen Belastung überprüft wird.
- Die Strom- und Zeitselektivität zwischen vor und nachgelagerten Schutzeinrichtungen unter Berücksichtigung der spezifischen Reaktionszeit des PCS erneut überprüfen.
- Eine aktualisierte Berechnungsdokumentation erstellen, die den Beitrag des BESS berücksichtigt, datiert und zusammen mit der technischen Dokumentation der Anlage aufbewahrt wird.
elec calc: die native Berechnung des Kurzschlussstrombeitrags eines BESS-PCS
Die etablierten Kurzschlussberechnungsprogramme am Markt berücksichtigen die klassischen Quellen Netz, Notstromgeneratoren und Synchrongeneratoren – zuverlässig. Der spezifische Beitrag eines BESS-PCS mit seiner eigenen Dynamik und Strombegrenzungskennlinie wird von vielen der derzeit von Planungsbüros eingesetzten Werkzeugen dagegen nur unzureichend berücksichtigt.
Die Berechnungs-Engine von elec calc wurde entwickelt, um diesen Beitrag nativ in die Gesamtberechnung der Kurzschlussströme zu integrieren und dabei das reale Verhalten bidirektionaler Speicherkonverter neben den klassischen Quellen zu berücksichtigen.
Für Installateure und BESS-Integratoren bedeutet dies eine durchgängige Kurzschlussberechnung der gesamten Anlage nach der Integration eines Speichers, ohne den Beitrag des PCS annähern oder vernachlässigen zu müssen.
In einem Markt, in dem die Nachrüstung bestehender Anlagen mit BESS zunehmend zur gängigen Praxis wird, stellt diese Fähigkeit ein differenzierendes technisches Merkmal dar sowohl im Hinblick auf die technische Dokumentation als auch auf die Sicherheit der Anlage.
FAQ
Was Sie sich merken sollten
Die Integration eines BESS in eine bestehende Anlage ist für das elektrische Schutzkonzept nie ein neutraler Vorgang. Der bidirektionale PCS speist einen begrenzten, aber realen Fehlerstrombeitrag ein, dessen Dynamik sich von der einer rotierenden Quelle unterscheidet.
Wer sich ausschließlich auf die Prüfung des Anschlusspunkts beschränkt, riskiert eine Unterdimensionierung nachgelagerter Schutzeinrichtungen, wie das Beispiel eines gewerblichen 400-kWh-BESS zeigt, das in eine bestehende Photovoltaikanlage integriert wurde.
Die zuverlässige Vorgehensweise besteht darin, die Kurzschlussströme an jedem Punkt des Netzes neu zu berechnen und die Selektivität der Schutzeinrichtungen mit einem Werkzeug zu überprüfen, das den Beitrag eines BESS-PCS nativ berücksichtigen kann.
Um die Kurzschlussfestigkeit Ihrer Schutzeinrichtungen und Kabel bei Ihren nächsten BESS-Integrationsprojekten zu überprüfen, ermöglicht eine Demonstration von elec calc, diesen Ansatz anhand eines realen Anwendungsfalls zu bewerten.
Dieser Artikel wurde verfasst von:
Zouhair JOURAAI
Elektrotechniker – Technical Support & Presales
Über die Bereitstellung leistungsfähiger technischer Lösungen hinaus stellen wir unser elektrotechnisches Fachwissen den Akteuren der Branche zur Verfügung, um sie bei der Entwicklung, Optimierung und dem nachhaltigen Betrieb ihrer Anlagen zu unterstützen.
