Netzunabhängiger Wechselrichter THD: Warum ist die „Leichtlast“ kritischer?

Bei einem Insel-Wechselrichter ist der ungünstigste Punkt für die THD (Gesamtklirrfaktor) nicht immer bei Volllast. Er tritt häufig bei Teillast auf, auch als ‚Kleinlast‘ bezeichnet. Der Grund hierfür ist nicht eine höhere Last, sondern vielmehr, dass die Teillast die ‚festen Fehler‘ in der Leistungsstufe und der Regelung verstärkt.

1. Verständnis der THD bei Insel-Wechselrichtern

1.1 Was ist die THD?

Der Gesamtklirrfaktor (THD) misst, wie stark die Ausgangsspannungs-Wellenform von einer reinen Sinuswelle abweicht. Ein niedrigerer THD bedeutet eine sauberere, stärker sinusförmige Ausgangsspannung.

1.2 Die verbreitete Fehlvorstellung

Viele Ingenieure gehen davon aus, dass die ungünstigste THD bei der Nenn-Vollast auftritt, also dort, wo der Wechselrichter maximale Leistung liefert. Tatsächlich tritt die stärkste Verzerrung jedoch häufig bei Teillast auf – typischerweise unterhalb von 10–20 % der Nennleistung.

1.3 Warum Teillast relevant ist

Die THD bei geringer Last ist kritischer, weil sich die nichtidealen Verhaltensweisen in der Leistungsstufe und der Regelungsschleife bei niedrigen Stromwerten nicht proportional verringern. Diese festen Fehler machen dann einen größeren Anteil der Ausgabe aus und verschlechtern die Wellenformqualität.

2. Feste Fehler stellen bei niedrigem Strom einen größeren Anteil dar

2.1 Einfluss des Ausgangsfilterkondensators

Der Ausgangsfilterkondensator des Wechselrichters lädt sich in jedem Schaltzyklus auf und entlädt sich wieder. Bei geringer Last ist der Laststrom klein, sodass die Kondensatorspannung vor dem Nulldurchgang nicht schnell genug auf null absinken kann.

Dies erzeugt leicht einen flachen Bereich um den Nulldurchgang und führt zu Harmonischen niedriger Ordnung.

2.2 Fehlerspannung durch Totzeit

Die Totzeit verursacht ebenfalls eine Fehlerspannung: Bei geringer Last ist der Grundstrom klein, weshalb der Totzeitfehler relativ zum Grundstrom größer wird. In der Nähe des Stromnulldurchgangs ist die Stromrichtung schwer zu bestimmen, und es kann zu einer Nullstrom-Klemmung kommen.

2.3 Nichtlinearität der Bauelemente

Der Spannungsabfall an der Leistungsstufe und die Nichtlinearität der Filterdrossel nehmen ebenfalls nicht linear mit dem Laststrom ab. Daher wirken sich dieselbe Totzeit, derselbe Spannungsabfall und der Kondensatoreffekt bei kleinem Strom stärker auf die Wellenform aus.

3. Keine Netzspannungsbegrenzung – Harmonische koppeln rückwärts

3.1 Netzbetrieb vs. Inselbetrieb

Im Netzbetrieb weist das große Versorgungsnetz eine geringe harmonische Impedanz auf. Harmonische Ströme aus nichtlinearen Lasten werden hauptsächlich vom Netz aufgenommen, wodurch die Spannungsverzerrung am gemeinsamen Verknüpfungspunkt begrenzt bleibt.

Im Inselbetrieb muss der Wechselrichter selbst als spannungsquellenartige Niedrigimpedanzquelle fungieren. Es gibt kein externes Netz, das harmonische Störungen aufnehmen könnte.

3.2 Wechselwirkung mit nichtlinearen Lasten

Nichtlineare Lasten wie ungesteuerte Gleichrichter und Schaltnetzteile ziehen Strompulse mit 5., 7. und weiteren Harmonischen. Diese harmonischen Ströme fließen durch die Ausgangsimpedanz des Wechselrichters und erzeugen harmonische Spannungsanteile in der Ausgangsspannung.

Bei geringer Last ist der Grundstrom klein, doch der Anteil der Oberschwingungsströme bei einer kleinen Schaltnetzteil kann durchaus beträchtlich sein. Dadurch kann sich die Spannungsverzerrung deutlicher bemerkbar machen.

Dies ist einer der zentralen Mechanismen hinter der „Wellenformverzerrung bei netzunabhängigen Wechselrichtern“.

4. Steuerkreis-Lücken bei geringer Last

4.1 Eingeschränkte Oberschwingungsverstärkung

Die Spannungs-Regelungsschleife weist üblicherweise eine begrenzte Verstärkung bei den 5. und 7. Oberschwingungsfrequenzen auf. Bei geringer Last verändert sich das Verhältnis zwischen Oberschwingungsstörung und Grundschwingung; herkömmliche PI-Regelung zeigt daher bei geringer Last häufig eine unzureichende Unterdrückungsfähigkeit.

4.2 Fortgeschrittene Regelstrategien

Wiederholungsregelung und resonante Regelung können die Verstärkung bei Oberschwingungsfrequenzen erhöhen. Werden sie jedoch nicht an geringe Last, kleine Ströme, Nulldurchgangs-Sperre und Totzeitkompensation angepasst, kann die Gesamtharmonische Verzerrung (THD) bei geringer Last zu einer ungetesteten Lücke werden.

4.3 Anforderungen an netzbildende PCS

Als Spannungsquelle weist ein netzbildender PCS eine Netzqualität auf, die direkt davon abhängt, ob seine Ausgangsimpedanz bei Oberschwingungsfrequenzen ausreichend niedrig und ‚steif‘ ist.

5. Praktische Auswirkungen für Anwender

5.1 Was bei der Modellauswahl zu beachten ist

Bei der Modellauswahl sollte nicht nur die ‚Nennlast-THD‘ betrachtet werden. Inselnetzsysteme laufen nachts häufig mit geringer Last, bei niedrigen Lastgraden oder im Standby-Betrieb.

Eine bessere Frage lautet: Bleibt die Spannungswelle auch bei leichter, nichtlinearer Last oder beim Umschalten zwischen gemischten Lasten stabil? Dies entspricht der realen Erfahrung stärker als die THD bei voller Last mit ohmscher Last.

5.2 Netzbildende PCS-Funktion

Bei einem netzbildenden PCS ist die Spannungswellenqualität bei nichtlinearen Lasten keine Zusatzfunktion. Sie ist vielmehr eine Grundvoraussetzung dafür, als Spannungsquelle zu fungieren.

5.3 Einsatzszenarien

6. Schlussfolgerung

Die THD bei geringer Last ist kritischer, weil der Inselwechselrichter bei geringer Last den „Verdünnungseffekt“ verliert, den ein hoher Strom auf nichtideale Faktoren ausübt. Gleichzeitig muss er allein die Verantwortung für die harmonische Impedanz einer Spannungsquelle übernehmen.

Wenn Sie nach der THD eines Inselwechselrichters fragen, beschränken Sie sich nicht nur auf die Volllast. Fragen Sie stattdessen, ob die Wellenform auch bei geringer Last und nichtlinearen Lasten stabil bleibt.

Dies ist die eigentliche Frage hinter der „Verzerrung der Wellenform eines Inselwechselrichters“.

7. Häufig gestellte Fragen

Frage: Warum ist die THD bei geringer Last schlechter als bei Volllast bei Inselwechselrichtern?

Bei geringer Last machen feste Fehler wie Spannungsabfall durch Totzeit, Verzerrung des Kondensator-Flachtopfs und Nichtlinearität der Bauelemente einen größeren Anteil der Ausgangswellenform aus. Ohne einen hohen Grundschwingungsstrom, der diese Effekte „verdünnt“, wird die Verzerrung deutlicher sichtbar.

Frage: Worauf sollte ich bei der Auswahl eines Inselwechselrichters im Hinblick auf die THD achten?

Verlassen Sie sich nicht ausschließlich auf die THD-Spezifikation bei Nennlast. Fordern Sie vom Hersteller THD-Daten bei 10 %, 20 % und 50 % Last mit nichtlinearen Lasten an. Dies spiegelt die realen Betriebsbedingungen besser wider.

F: Wie beeinflusst der Netzanschluss die THD-Leistung?

Im netzgekoppelten Betrieb bietet das Netz einen niederohmigen Pfad für Oberschwingungsströme und absorbiert dadurch Verzerrungen wirksam. Im Inselbetrieb muss der Wechselrichter die gesamte Oberschwingungsunterdrückung allein bewerkstelligen.

F: Welche Regelungstechniken tragen zur Verbesserung der THD bei geringer Last bei?

Wiederholungsregelung, resonante (PR-)Regelung und adaptive Totzeitkompensation können die Oberschwingungsunterdrückung verbessern. Diese Verfahren müssen jedoch gezielt auf Bedingungen bei geringer Last und bei Nulldurchgängen abgestimmt werden.

F: Ist die THD bei geringer Last für alle Inselanlagen wichtig?

Ja. Die meisten Inselanlagen verbringen erhebliche Zeit im Betrieb bei geringer Last — z. B. im Nachtbetrieb im Standby-Modus, beim Betrieb kleiner Elektronikgeräte oder bei Teillast. Eine schlechte THD bei geringer Last kann empfindliche Geräte beeinträchtigen und die Zuverlässigkeit des Systems verringern.