Entwicklung von Vorhersagealgorithmen für Ausfälle in komplexen leistungselektronischen Systemen in der Photovoltaik (VORAUS-PV)

Im Projekt VORAUS-PV (Entwicklung von Vorhersagealgorithmen für Ausfälle in komplexen leistungselektronischen Systemen in der Photovoltaik) nutzen die HAW Hamburg und die Jade Hochschule gemeinsam verschiedene Methoden der Datenanalyse und des maschinellen Lernens, um die Idee von zustandsabhängigen Ausfallraten hin zu Ausfallvorhersagen für einzelne Photovoltaik-Inverter weiterzuentwickeln. Das Projekt wird von Prof. Dr. Sarah Hallerberg und Prof. Dr. Sebastian Rohjans geleitet.

Herausforderung

Um die Klimaziele zu erreichen, spielt die Photovoltaik (PV) eine zentrale Rolle. Im Jahr 2019 deckte sie mit einer Stromerzeugung von 46,5 Terawattstunden bereits 8,2 Prozent des Brutto-Stromverbrauchs ab. An sonnigen Tagen können PV-Anlagen sogar bis zu 50 Prozent des benötigten Stroms liefern. Dies funktioniert aber nur, wenn der Wechselrichter (Inverter) zuverlässig arbeitet. Er wandelt zur Einspeisung in das Netz Gleich- in Wechselstrom um und ist damit das Herzstück von PV-Anlagen. Fällt der Inverter aus, verringert dies nicht nur die Wirtschaftlichkeit der Anlage, sondern kann auch zu Problemen wie Frequenzverlust der Stromnetze führen. Für eine verlässliche Aussage über die Lebensdauer eines einzelnen Inverters und mögliche Ausfälle ist eine umfangreiche Evaluierung an einem größeren Datensatz notwendig, die es jedoch bisher nicht gibt. Eine Herausforderung dabei ist es, die Vorhersage so weit zu automatisieren, dass die anfallenden Mehrkosten durch ein höheres Geschäftsvolumen ausgeglichen werden.

Ziele und Vorgehen

Das Ziel des Projekts VORAUS-PV ist es, Algorithmen zu entwickeln, die einen Ausfall des Inverters vorhersagen können. Als Basis für die Vorhersage dienen die großen Mengen an nicht standardisierten Daten, die ein Inverter ununterbrochen aufnimmt und in die Datenbank des Herstellers einspeist. Diese Daten stellt der Kooperationspartner SMA Solar Technology AG zur Verfügung, einer der weltweit führenden Hersteller für Photovoltaik-Inverter. So wird im Projekt auch eine umfassende Analyse von internen Daten des Inverters sowie von Daten zu seinem individuellen Herstellungsprozess ermöglicht. Die Wirksamkeit der Vorhersagealgorithmen wird mit Methoden der Co-Simulation überprüft, indem die Auswirkungen von lnverterausfällen auf das umliegende Stromnetz mit entsprechenden Modellen simuliert werden. Um die Datenanalyse durch die Algorithmen experimentell nachvollziehen zu können, wird ein HIL-Teststand (Hardware-in-the-Loop) für Inverter aufgebaut, der ausgehend von der Stimulation der Inverter die Datenerfassung ermöglicht.

Innovationen und Perspektiven

Die deutsche lnverterindustrie gilt derzeit weltweit als technologisch führend. Das Projekt VORAUS-PV kann dazu beitragen, diese Position trotz verschärfter internationaler Konkurrenz zu behaupten und sie durch erweiterte Dienstleistungsangebote und verbesserte Systemlösungen sogar auszubauen. Einen entscheidenden Vorteil bietet in diesem Vorhaben der große Umfang verwertbarer Daten: Während in bisherigen Arbeiten Daten aus höchstens 200 regional verteilten PV­Anlagen untersucht wurden, steht hier ein Datensatz von mehr als zwei Millionen Invertern aus mehr als 300.000 PV-Anlagen an weltweit verteilten Standorten zur Verfügung. Im Rahmen des Projekts können neue Geschäftsmodelle technisch und kommerziell simuliert und auf die Randbedingungen und Machbarkeit untersucht werden. Der Kooperationspartner, die SMA Solar Technology AG, will die Ergebnisse zur Entwicklung neuer Datendienste nutzen und auf dem Weltmarkt anbieten.