Off-grid belastingscapaciteit

Gedetailleerde uitleg van de off-grid belastingscapaciteit van de PCS

Dit document beschrijft de capaciteitsgrenzen van een PCS (energieopslagomvormer) in off-grid-/eilandbedrijf voor het direct in- en uitschakelen van transformatoren en motoren, evenals de capaciteitsdimensioneringsregels bij gelijktijdig gebruik van meerdere belastingen. Hieronder wordt dit punt voor punt uiteengezet.

1. Terminologie en uitgangspunten

• Grid-Following PCS (GFL): heeft de netspanning als referentie nodig, bouwt zelf geen spanning op, en heeft beperkte overbelastingscapaciteit (doorgaans 1,1–1,2× nominaal piek, 1,0–1,1× nominaal continu).
• Grid-Forming PCS (GFM): kan zelf een spanning- en frequentiereferentie opbouwen en fungeert als een "virtuele generator"; heeft een sterke overbelastingscapaciteit (kortstondig tot 3× nominaal, terugvallend naar 1,5× binnen 3–10 seconden).
• Pn / In: nominaal vermogen / nominale stroom van de PCS.
• PA / PB / PC: respectievelijk het vermogensniveau van de reeds in bedrijf zijnde stabiele belasting, de nieuw in te schakelen transformator en de nieuw in te schakelen overige stootbelasting.

2. Regel 1 — Direct inschakelen van een transformator door een PCS in off-grid

2.1 Fysische achtergrond: magnetiseringsinschakelstroom van de transformator

Op het moment van nullast-inschakeling van een transformator treedt, door de combinatie van remanent magnetisme in de kern en een ongunstige spanningsfaseligging, diepe magnetische verzadiging in de wikkelingen op. Dit veroorzaakt een inschakelstoot met een amplitude van 6–8× de nominale stroom en een duur van 0,5–2 seconden. Dit staat bekend als de inschakelstootstroom / magnetizing inrush.

De inschakelstoot is geen werkelijk belastingsvermogen, maar blindstroom (magnetiseringsstroom). De stroomamplitude is echter zeer groot en zal de PCS-beveiliging activeren of de railspanning verlagen.

2.2 Interpretatie van de regel

Praktische betekenis: bij off-grid-inbedrijfstelling geldt dat, als de transformator aan projectzijde ≥ 0,5 Pn is, een Grid-Forming-model gebruikt moet worden, of er moet een schakeloplossing met voormagnetisering/zachte start worden toegepast (zoals een inschakelschakelaar met voorschakelweerstand of een zachtstarttransformator).

3. Regel 2 — Direct inschakelen van een motor door een PCS in off-grid

3.1 Fysische achtergrond: directe start van een motor

Bij directe start (DOL, Direct-On-Line) van een asynchrone motor: - op het startmoment is de slip s = 1 en is de equivalente rotorweerstand zeer klein; - de startstroom is doorgaans 6–10× de nominale stroom; - het startkoppel is eveneens groot (ca. 1,5–3× het nominale koppel); - de duur is 1–3 seconden.

In dit hoofdstuk wordt conservatief gerekend met een stootfactor van 10×.

3.2 Interpretatie van de regel

Vereiste:

$$\boxed{I_{\text{stoot}} = 10 \times I_{n,\text{motor}} \le I_{n,\text{PCS}}}$$

Dus $10 \times 0{,}1\,P_n \le P_n$ drukt de bovengrens precies tot de nominale PCS-stroom. Daarom mag het vermogen van één enkele motor maximaal ≤ 0,1 Pn zijn.

Voorbeeld: bij een PCS van 1000 kW (inclusief Grid-Forming-capaciteit) mag maximaal direct gestart worden met één motor van 100 kW. Grotere motoren moeten worden gestart via VFD-zachtstart / zachtstartapparaat / ster-driehoek-reductie of vergelijkbare methoden.

4. Regel 3 — Bedrijfssituaties met meerdere gelijktijdige belastingen

Wanneer een reeds stabiel draaiende belasting PA aanwezig is en er een nieuwe belasting wordt bijgeplaatst, gelden de volgende PCS-selectieregels.

4.1 Nieuwe direct ingeschakelde transformator (PB)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1{,}5 \cdot P_A + 2 \times 2 \cdot P_B = 1{,}5\,P_A + 4\,P_B}$$

Betekenis van de termen:

Waarom wordt voor de transformator nog eens extra met 2× vermenigvuldigd? Omdat de transformator-inschakelstoot een blindvermogenstoot is: er wordt geen werkelijk vermogen verbruikt, maar de stroomcapaciteit wordt wel sterk benut. Er moet dus marge op de stroomcapaciteit worden gereserveerd, en niet op het gemiddelde vermogen.

4.2 Nieuwe overige stootbelasting (PC)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1{,}3 \cdot P_A + P_C}$$

Toepassingsscenario's: directe start van ventilatoren / VFD-zachtstart / start met serie-inductie / condensatorcompensatie-inschakeling / grote gelijkrichters enz.

Referentie stootfactoren: directe start van ventilatoren (grote axiaalventilatoren) 5–7×; VFD-zachtstart 1,5–2×; start met serie-inductie 3–4×. De stoot is hier al beperkt; PC bevat dus impliciet de reductie van de regelstrategie, en PC kan direct worden opgeteld.

5. Reductiefactor bij parallel bedrijf

Bij parallel geschakelde PCS'en treedt circulatiestroom / ongelijke stroomverdeling op (zelfs bij hetzelfde model zijn er kleine verschillen in IGBT-doorlaatverlies, meetnauwkeurigheid en modulatietiming). Derating is daarom noodzakelijk:

De uiteindelijke selectieformule wordt:

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

waarbij $k_{\text{parallel}} = 0{,}95$ of $0{,}90$.

6. Uitgebreid voorbeeld (ter consolidatie)

Scenario: Grid-Forming PCS, één unit van 1000 kW, met een reeds stabiele belasting van 300 kW, waarbij nog een transformator van 200 kVA en een direct te starten motor van 90 kW moeten worden bijgeplaatst.

1. Kan de transformator direct worden ingeschakeld? 200 kVA > 0,5 × 1000 = 500 ❌ als enkel apparaat zou dat kunnen, maar hier kijken we naar 200 / 1000 = 20%, dus direct inschakelen is mogelijk.
2. Kan de motor direct gestart worden? 90 kW / 1000 = 9% < 10% ✅ direct starten is mogelijk.
3. Capaciteitsberekening totaal (volgens de transformatorregel):

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

Dus één enkele PCS volstaat niet; er moet worden opgeschaald naar 1250 kW / 2 parallel, met derating volgens 0,95:

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

→ Kies 2 × 800 kW = 1600 kW PCS, met extra veiligheidsmarge.

7. Belangrijkste takeaways

1. Een off-grid PCS is geen net: er is geen "oneindig grote bron" die stoten absorbeert; inschakel- en uitschakelcapaciteit moet voor de worst case worden berekend.
2. De transformator is de grootste verborgen stootbron (inschakelstoot 6–8×); daarom wordt hij apart met een factor 4× gewogen.
3. Directe motorstart is de tweede stootbron, maar de vermogensgrens ligt op slechts 10% Pn; in de praktijk wordt vaak gecombineerd met een frequentieregelaar/zachtstarter.
4. Parallel bedrijf vereist altijd derating; dit ligt niet aan gebrekkige regelalgoritmes, maar aan de natuurlijke ongelijkheid van fysische componenten.
5. Al deze waarden bevatten conservatieve engineeringmarges, bedoeld als buffer voor afwijkende situaties op locatie, en zijn geen theoretische leerboekwaarden.