Offgrid-Lastfähigkeit

Detaillierte Erläuterung der Lastführungsfähigkeit des PCS im Inselbetrieb

Dieses Dokument beschreibt die Grenzen der Fähigkeit des PCS (Power Conversion System / Speicherwechselrichter), im Insel-/Inselnetzbetrieb direkt Transformatoren und Motoren zu- und wegzuschalten, sowie die Regeln für die Kapazitätsauslegung bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Verbraucher. Die einzelnen Punkte werden nachfolgend erläutert.

I. Terminologische Voraussetzungen

• Netzfolgender PCS (Grid-Following, GFL): Benötigt die Netzspannung als Referenz, baut selbst keine Spannung auf, und verfügt über eine begrenzte Überlastfähigkeit (in der Regel das 1,1- bis 1,2-fache der Nennleistung, langfristig das 1,0- bis 1,1-fache).
• Netzbildender PCS (Grid-Forming, GFM): Kann eigenständig Spannungs- und Frequenzreferenzen aufbauen, ist als „virtueller Generator" zu betrachten und verfügt über eine hohe Überlastfähigkeit (kurzzeitig bis zum 3-fachen der Nennleistung, nach 3–10 Sekunden Rückgang auf das 1,5-fache).
• Pn / In: Nennleistung / Nennstrom des PCS.
• PA / PB / PC: Bezeichnen jeweils die Leistungsstufen der bereits im stationären Betrieb befindlichen Last, des neu hinzugekommenen Lasttransformators und der neu hinzugekommenen sonstigen Stoßlasten.

2. Artikel 1 – PCS-Off-Grid-Direkteinspeisung in den Transformator

1.1 Physikalischer Hintergrund: Transformator-Einschaltstoßstrom

Im Moment des leerlaufenden Zuschaltens eines Transformators kommt es durch die Überlagerung von Restmagnetisierung im Eisenkern und einer ungünstigen Spannungsphase zu einer tiefen magnetischen Sättigung der Wicklung. Dabei tritt ein Stoßstrom mit einer Amplitude vom 6- bis 8-fachen des Nennstroms und einer Dauer von 0,5 bis 2 Sekunden auf. Dies wird als sogenannter Einschaltstoßstrom / magnetizing inrush bezeichnet.

Der Stoßstrom ist keine tatsächliche Lastleistung, sondern ein Blindstrom (Erregerstrom), weist jedoch eine sehr große Stromamplitude auf, die den PCS-Schutz auslösen oder die Sammelschienenspannung absenken kann.

1.2 Erläuterung der Regeln

Praktische Bedeutung: Bei der Inbetriebnahme im Inselnetzbetrieb gilt: Wenn der projektseitige Transformator ≥ 0,5 Pn ist, muss ein netzbildendes Gerät verwendet werden, oder es ist auf eine Schaltlösung mit Vormagnetisierung / Sanftanlauf-Vorrichtung umzustellen (z. B. ein Einschaltschalter mit Widerstandsvorschaltung oder ein Sanftanlauf-Transformator).

Drittens, Punkt 2 – PCS-Inselbetrieb mit direkter Motor-Einspeisung

2.1 Physikalischer Hintergrund: Stoßbelastung beim Direktstart des Motors

Beim Direktstart (DOL, Direct-On-Line) eines Asynchronmotors gilt: - Im Startmoment beträgt der Schlupf s=1, und der effektive Rotorwiderstand ist äußerst gering. - Der Anlaufstrom beträgt typischerweise das 6- bis 10-fache des Nennstroms. - Das Anlaufdrehmoment ist ebenfalls sehr hoch (etwa das 1,5- bis 3-fache des Nenndrehmoments). - Die Dauer beträgt 1 bis 3 Sekunden.

In diesem Abschnitt wird der Stoßfaktor konservativ mit dem 10-fachen berechnet.

2.2 Regelinterpretation

Anforderung:

$$\boxed{I_{\text{ Stoß }} = 10 \times I_{n,\text{ Motor }} \le I_{n,\text{ PCS }}}$$

Das heißt $10 \times 0{,}1 P_n \le P_n$ liegt genau an der oberen Grenze des PCS-Nennstroms. Daher muss die Kapazität eines einzelnen Motors ≤ 0,1 Pn betragen.

Beispiel: Ein 1000-kW-PCS (mit Grid-Forming-Fähigkeit) kann maximal einen einzelnen Motor mit 100 kW direkt starten. Größere Motoren müssen mittels Frequenzumrichter-Sanftanlauf / Sanftanlasser / Stern-Dreieck-Senkung und ähnlichen Verfahren gestartet werden.

IV. Punkt 3 — Betriebszustand mit mehreren parallelen Lasten

Regeln zur Auswahl des PCS, wenn zu einer bereits stabil laufenden Last PA eine zusätzliche Last hinzugefügt wird.

4.1 Neu hinzugefügter Direkteinspeisungs-Transformator (PB)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1.5 \cdot P_A + 2 \times 2 \cdot P_B = 1.5 P_A + 4 P_B}$$

Bedeutung der einzelnen Terme:

Warum wird beim Transformator ein zusätzlicher Faktor von 2 angewandt? Weil der Einschaltstrom des Transformators eine Blindleistungsspitze ist, die keine Wirkleistung verbraucht, jedoch den Strompfad stark beansprucht. Es muss ausreichend Reserve entsprechend der Stromtragfähigkeit vorgesehen werden, nicht auf Basis der mittleren Leistung.

4.2 Hinzufügen weiterer Stoßlasten (PC)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1.3 \cdot P_A + P_C}$$

Anwendungsszenarien: Direktstart von Ventilatoren / Sanftanlauf über Frequenzumrichter / Sanftanlauf über Vorschaltdrossel / Kondensatorkompensationsschaltung / Großgleichrichteranlagen u. a.

Referenzwerte für Direktstart-Faktoren: Direktstart von Ventilatoren (große Axialventilatoren) 5~7×; Sanftanlauf über Frequenzumrichter 1,5~2×; Sanftanlauf über Vorschaltdrossel 3~4×. Die Stoßbelastung wurde bereits begrenzt, daher ist in PC bereits eine der Regelstrategie entsprechende Reduktion implizit enthalten. Es kann direkt mit PC summiert werden.

Fünf, Derating-Faktor bei Parallelschaltung

Beim Parallelschalten mehrerer PCS tritt das Phänomen Kreisstrom / ungleichmäßige Stromaufteilung auf (selbst bei identischem Modell gibt es geringfügige Unterschiede im IGBT-Spannungsabfall, in der Messgenauigkeit und in der Modulationsverzögerung), weshalb eine Derating-Nutzung zwingend erforderlich ist:

Die endgültige Auswahlformel lautet:

$$P_{\text{PCS,total}} \ge \frac{1{,}5\,P_A + 4\,P_B \text{ (bzw. } 1{,}3\,P_A + P_C\text{)}}{k_{\text{parallel}}}$$

wobei $k_{\text{parallel}} = 0{,}95$ oder $0{,}90$.

Sechs. Umfassendes Beispiel (Festigung des Verständnisses)

Szenario: Netzbildender PCS, Einzelgerät 1000 kW, bereits mit stabiler Last 300 kW. Zusätzlich soll ein 200-kVA-Transformator und ein 90-kW-Direktstartmotor in Betrieb genommen werden.

1. Kann der Transformator direkt zugeschaltet werden? 200 kVA > 0,5 × 1000 = 500 ❌ Die Einzelgeräteleistung würde ausreichen, doch hier entscheidend ist 200 / 1000 = 20 % – ein Direktzuschalten ist möglich.
2. Kann der Motor direkt gestartet werden? 90 kW / 1000 = 9 % < 10 % ✅ Ein Direktstart ist möglich.
3. Gesamtkapazitätsberechnung (entsprechend der Transformator-Regel):

$$P_{\text{PCS}} \ge 1{,}5 \times 300 + 4 \times 200 = 450 + 800 = 1250 \text{ kW}$$

Das heißt, ein einzelner PCS reicht nicht aus. Die Leistung muss auf 1250 kW / 2 Geräte parallel erhöht werden, mit einer Derating-Berücksichtigung um 0,95:

$$P_{\text{PCS,total}} \ge \frac{1250}{0{,}95} \approx 1316 \text{ kW}$$

→ Es werden 2 × 800 kW = 1600 kW PCS gewählt, um eine größere Sicherheitsreserve zu gewährleisten.

VII. Wichtige Erkenntnisse

1. Ein Off-Grid-PCS ist kein Stromnetz – es gibt keine „unendliche Senke", die Stöße absorbieren könnte; die Schaltkapazität muss daher für den Worst Case ausgelegt werden.
2. Der Transformator ist die größte versteckte Stoßquelle (Einschaltstrom 6–8×), weshalb ein separater Sicherheitsfaktor von 4 angesetzt wird.
3. Der Direktstart von Motoren ist die zweitgrößte Stoßquelle, die Kapazität ist jedoch auf 10 % Pn begrenzt; in der Praxis wird dies häufig mit Frequenzumrichtern bzw. Sanftanlassern kombiniert.
4. Bei Parallelschaltung kommt es unweigerlich zu einer Leistungsreduzierung – dies liegt nicht an mangelhaften Stromaufteilungsalgorithmen, sondern an der physikalisch unvermeidbaren Bauteilstreuung.
5. Alle diese Werte enthalten bewusst konservative Sicherheitszuschläge – sie dienen als Puffer für anormale Betriebszustände vor Ort und sind keine theoretischen Lehrbuchwerte.