Off-grid omvormer THD: Waarom is deze slechter bij lage belasting?

Bij een off-grid-omvormer is het slechtste THD-punt (totale harmonische vervorming) niet altijd bij volledige belasting. Het verschijnt vaak bij lichte belasting, ook wel ‘kleine belasting’ genoemd. De reden is niet dat de belasting zwaarder is, maar dat lichte belasting de ‘vaste fouten’ in de vermogensfase en de regelkring versterkt.

1. Inzicht in THD bij off-grid-omvormers

1.1 Wat is THD?

Totale harmonische vervorming (THD) meet hoeveel de uitgangsspanningsgolfvorm afwijkt van een zuivere sinusvorm. Een lagere THD betekent een schoner, meer sinusvormig uitgangsspanningssignaal.

1.2 De veelvoorkomende misvatting

Veel ingenieurs gaan ervan uit dat de slechtste THD optreedt bij volledige nominale belasting, wanneer de omvormer maximaal vermogen levert. In werkelijkheid treedt de grootste vervorming vaak op bij lichte belasting — meestal onder de 10–20% van de nominale capaciteit.

1.3 Waarom lichte belasting belangrijk is

THD bij lichte belasting is kritischer, omdat de niet-ideale gedragingen in de vermogensfase en de regelkring bij lage stroomniveaus niet evenredig afnemen. Deze vaste fouten vormen dan een groter aandeel van de uitvoer, waardoor de golfvormkwaliteit verslechtert.

2. Vaste fouten nemen een groter aandeel in bij lage stroom

2.1 Effect van de uitvoerfiltercondensator

De uitvoerfiltercondensator van de omvormer laadt en ontladt zich tijdens elke schakelcyclus. Bij lichte belasting is de belastingsstroom klein, dus de condensatorspanning kan niet snel genoeg dalen tot nul vóór de nuldoorgang.

Dit leidt gemakkelijk tot een vlak gebied rond de nuldoorgang en veroorzaakt harmonischen van lage orde.

2.2 Doodtijd-foutspanning

Doodtijd veroorzaakt ook een foutspanning: bij lichte belasting is de fundamentele stroom klein, dus wordt de doodtijd-fout relatief groter ten opzichte van de fundamentele. In de buurt van de stroomnuldoorgang is de stroompolariteit moeilijk te bepalen, en kan nulstroom-klemming optreden.

2.3 Apparaatniet-lineariteit

De geleidingsverliesspanning van het apparaat en de niet-lineariteit van de filterinductor nemen ook niet lineair af met de belastingsstroom. Daarom hebben dezelfde doodtijd, spanningsval en condensatoreffect een zichtbaarder invloed op de golfvorm bij lage stroom.

3. Geen netklemming — harmonischen koppelen terug

3.1 Netgekoppelde versus off-grid werking

Bij netgekoppelde werking heeft het grote elektriciteitsnet een lage harmonische impedantie. Harmonische stromen van niet-lineaire belastingen worden voornamelijk door het net geabsorbeerd, en de spanningsvervorming op het gemeenschappelijk aansluitpunt blijft beperkt.

Bij off-grid werking moet de omvormer zelf als spanningsbron met lage impedantie fungeren. Er is geen extern net beschikbaar om harmonische storingen op te nemen.

3.2 Interactie met niet-lineaire belastingen

Niet-lineaire belastingen, zoals ongestuurde gelijkrichters en schakelende voedingen, trekken stroompieken die de 5e, 7e en andere harmonischen bevatten. Deze harmonische stromen lopen door de uitgangsimpedantie van de omvormer en veroorzaken harmonische spanning op de uitgangsspanning.

Bij lichte belasting is de basisstroom klein, maar het aandeel harmonische stroom van een kleine schakelende voeding kan niet klein zijn. Daardoor kan spanningsvervorming duidelijker worden.

Dit is één van de kernmechanismen achter 'golfvormvervorming bij off-grid-omvormers'.

4. Blindvlekken in de regelkring bij lichte belasting

4.1 Beperkte harmonische versterking

De gesloten spanningsregelkring heeft meestal beperkte versterking bij de 5e en 7e harmonische frequenties. Bij lichte belasting verandert de verhouding tussen harmonische storing en basisgrootte, waardoor conventionele PI-regeling gemakkelijker tekort schiet in onderdrukkingvermogen.

4.2 Geavanceerde regelstrategieën

Herhalingsregeling en resonantieregeling kunnen de versterking bij harmonische frequenties verhogen. Indien deze echter niet zijn afgestemd op lichte belasting met kleine stromen, nuldoorgangsklemming en dode-tijdcompensatie, kan THD bij lichte belasting een blindvlek worden buiten de standaardtests om.

4.3 Eisen aan grid-forming PCS

Als spanningsbron hangt de kwaliteit van de stroomvoorziening van een grid-forming PCS direct af van of de uitgangsimpedantie bij harmonische frequenties laag genoeg en ‘stijf’ genoeg is.

5. Praktische implicaties voor gebruikers

5.1 Waarop te letten bij het selecteren van een model

Bij het selecteren van een model moet u niet alleen kijken naar de ‘THD bij nominale belasting’. Off-grid-systemen draaien vaak ’s nachts met lichte belasting, bij lage belastingspercentages of in stand-by.

Een betere vraag is: blijft de spanningsvorm stabiel wanneer de belasting licht is, niet-lineair of wisselt tussen gemengde belastingen? Dit komt dichter bij de werkelijke ervaring dan THD bij volledige resistieve belasting.

5.2 Grid-forming PCS-functionaliteit

Voor een grid-forming PCS is de kwaliteit van de spanningsvorm bij niet-lineaire belastingen geen extra functie. Het is een basisvaardigheid van een spanningsbron.

5.3 Toepassingscenario’s

6. Conclusie

THD bij lichte belasting is kritischer, omdat de netonafhankelijke omvormer bij lichte belasting het ‘verdund-effect’ verliest dat een grote stroom heeft op niet-ideale factoren. Tegelijkertijd moet hij alleen de verantwoordelijkheid dragen voor de harmonische impedantie van een spanningsbron.

Wanneer u vraagt naar de THD van een netonafhankelijke omvormer, vraag dan niet alleen naar de THD bij volledige belasting. Vraag of de golfvorm standhoudt bij lichte belasting en niet-lineaire belastingen.

Dit is de werkelijke vraag achter ‘golfvormvervorming van netonafhankelijke omvormers’.

7. Veelgestelde vragen

V: Waarom is de THD bij lichte belasting slechter dan bij volledige belasting in netonafhankelijke omvormers?

Bij lichte belasting vormen vaste fouten zoals spanningdaling door doodtijd, vlaktopvervorming van condensatoren en niet-lineariteit van componenten een groter aandeel van de uitgangsgolfvorm. Zonder een grote fundamentele stroom om deze effecten te ‘verdunden’, wordt vervorming duidelijker zichtbaar.

V: Waar moet ik op letten bij het kiezen van een netonafhankelijke omvormer met betrekking tot THD?

Vertrouw niet uitsluitend op de THD-specificatie bij nominale belasting. Vraag de fabrikant om THD-gegevens bij 10%, 20% en 50% belasting met niet-lineaire belastingen. Dit weerspiegelt beter de werkelijke bedrijfsomstandigheden.

V: Hoe beïnvloedt de koppeling met het elektriciteitsnet de THD-prestaties?

Bij aansluiting op het net biedt het net een laag-impedantiepad voor harmonische stromen, waardoor vervorming effectief wordt opgenomen. In off-grid-modus moet de omvormer alle harmonische onderdrukking zelf verzorgen.

V: Welke regeltechnieken helpen de THD bij lichte belasting te verbeteren?

Herhalingsregeling, resonante (PR) regeling en adaptieve dode-tijdcompensatie kunnen allemaal de harmonische onderdrukking verbeteren. Deze technieken moeten echter specifiek worden afgestemd op lichte belasting en nuldoorgangstoestanden.

V: Is de THD bij lichte belasting belangrijk voor alle off-grid-systemen?

Ja. De meeste off-grid-systemen werken langdurig bij lichte belasting — bijvoorbeeld in stand-by ‘s nachts, bij kleine elektronische apparaten of bij gedeeltelijke belasting. Een slechte THD bij lichte belasting kan gevoelige apparatuur beïnvloeden en de betrouwbaarheid van het systeem verlagen.