Welche Betriebsmodi hat der PCS?

PCS 四大控制模式深度技术解析

PQ · VF · VSG · 跟网型 GFL · 构网型 GFM

1 Gesamtüberblick

1.1 Kernvergleich

Merkregel: Netzfolgendes stützt sich auf Phasenregelung, netzbildendes auf Virtualisierung; starkes Netz bedeutet netzfolgend, schwaches Netz bedeutet netzbildend.

2 Warum benötigt der PCS „mehrere Identitäten“?

Die heikle Lage des Speicher-PCS: Wem gehorcht „Steuerbarkeit“ eigentlich?

• Dem Netz gehorchen → Arbeitnehmer (PQ)
• Sich selbst gehorchen → Chef (VF)
• Den Chef unter den Chefs spielen → VSG

2 PQ-Modus (Tagelöhner)

"Der Chef (Netz) sagt, wie viel Leistung, ich liefere genau so viel Leistung"

2.1 Steuerungsarchitektur

Der PQ-Modus verwendet die klassische Struktur „Doppelschleife + PLL“: äußere Leistungsschleife + innere Stromschleife + Phasenregelschleife (PLL). Die PLL ist entscheidend – ohne sie ist kein Betrieb möglich.

2.2 Die kritische Schwachstelle der PLL

2.3 Anwendungsfälle

✅ Netzparallelbetrieb in starkem Netz (SCR > 3), AGC/AVC-Dispatchreaktion, Spitzenlastkappung und Talsohlenfüllung ❌ Nicht geeignet für schwache Netze oder Schwarzstart

3 VF-Modus (Boss)

„Kein Stromnetz? Kein Problem, ich übernehme die Führung!"

3.1 Steuerungsarchitektur

Der VF-Modus verfügt über keine PLL und verwendet direkt die interne Referenz (U=400V, f=50Hz) als Spannungsquelle. Die äußere Spannungsregelschleife in Kombination mit der inneren Stromregelschleife ermöglicht eine konstante Spannung und eine konstante Frequenz.

3.2 Parallelschaltung mehrerer Geräte: Droop-Steuerung

Mehrere PCS müssen kommunizieren, um die Leistung automatisch gleichmäßig aufzuteilen. Prinzip: Höhere Leistungsabgabe → Frequenz/Spannung leicht absenken → automatischer Ausgleich.

Auslegungsgrundsatz: Das Produkt aus Droop-Koeffizient × Nennleistung aller PCS muss gleich sein → nur so lässt sich eine gleichmäßige Leistungsaufteilung erreichen.

3.3 Harte Randbedingungen für VF

• Last < PCS-Kapazität (andernfalls Spannungseinbruch)
• Kurzschlussstrom nur das 1,2- bis 1,5-fache (keine Trägheit)
• Frequenz fest (kein Drehzahlregler)
• Geringe Stoßlastfestigkeit (ungedämpftes System zweiter Ordnung)

3.4 Einsatzszenarien

✅ Mikronetz im Inselbetrieb, Schwarzstart, USV-Modus, Master-Slave-Umschaltung mehrerer PCS ❌ Nicht geeignet für Szenarien, die eine Trägheitsstützung erfordern

4 VSG Virtuelle Synchronmaschine (der souveräne Boss)

"Ich gebe vor, eine echte Synchronmaschine zu sein – mit Trägheit!"

4.1 Grundlegende Idee

Im VSG ist ein virtuelles Schwungrad integriert, das die Rotationsbewegung eines Synchrongenerators simuliert. Dadurch verhält sich die PCS wie ein echter Generator.

4.2 Vollständiges mathematisches Modell

(1) Rotorgleichung (Kern): J × Winkelbeschleunigung = mechanisches Drehmoment − elektromagnetisches Drehmoment − Dämpfung × Frequenzabweichung

(2) Virtuelle Impedanz: elektromotorische Kraft = Klemmenspannung + virtuelle Impedanz × Strom

(3) Erregungsregelung: elektromotorische Kraft = Anfangswert + Blindleistungs-Droopkoeffizient × (Q_ref − Q)

(4) Drehzahlregler: mechanisches Drehmoment = Anfangswert + Wirkleistungs-Droopkoeffizient × (P_ref − P)

4.3 Einfluss der Parameter J / D / X_s

4.4 Vergleich der Frequenzantwort

• 🔴 VF: Bei plötzlicher Laständerung fällt die Frequenz sofort auf 49,5 Hz ab, was eine Auslösung verursachen kann.
• 🟢 VSG: Sinkt langsam auf 49,8 Hz ab, hält 0,5 s an und kehrt stabil zurück.

Das „langsame Absinken und anschließende Erholen" des VSG gibt den Netzgeräten Reaktionszeit — genau darin liegt der Wert der Trägheit.

4.5 Goldene Regeln für die Parametrierung

1. J darf nicht größer als die äquivalente Trägheit des Systems sein — andernfalls ist die Frequenzantwort zu langsam
2. D muss größer als J × Winkelgeschwindigkeit sein — andernfalls auftretende unterschwellige Schwingungen ⚠️
3. X_s muss an die Netzimpedanz angepasst sein — andernfalls kommt es zu Leistungsverkopplung
4. J/D aller GFM muss koordiniert werden — andernfalls treten Leistungszirkulationsströme bei der Parallelschaltung mehrerer Maschinen auf
5. Der Frequenzstatikkoeffizient muss im gesamten Netz einheitlich sein — andernfalls kommt es zu Leistungsdiebstahl

4.6 Anwendungs­szenarien

✅ Netz­anschluss in schwachen Netzen (SCR < 2), Regionen mit hoher Durchdringung erneuerbarer Energie­quellen, Schwarzstart, Off-Grid-Mikronetze, Frequenz- und Lastregelung

5 Netzbildend vs. netzfolgend

5.1 Entwicklungstrends der Systeme

Im Zeitalter der neuen Energien werden netzfolgende Umrichter immer häufiger eingesetzt, und das Stromnetz wird zunehmend anfälliger. Netzbildende Energiespeicher sind die Lösung.

5.2 Kernvergleich

5.3 Netzstärke SCR und Regelungsmodus

6 Glossar – Kurzübersicht