Kortsluitstroombijdrage van omvormergevoede bronnen (PV, BESS) — waarom IEC 60909-0 hier een andere aanpak nodig heeft

De [gids over kortsluitstroomberekening volgens IEC 60909-0](/guides/nen-1010/kortsluitstroomberekening-iec-60909-impedantiemethode) en de gids over generatorreactanties Xd″, Xd′ en Xd behandelen beide een net waarin de kortsluitstroom wordt bepaald door de impedantie van de bron: hoe lager de reactantie, hoe hoger de foutstroom, aflopend volgens een fysisch bepaalde decrementcurve. Een PV-omvormer of batterijomvormer (BESS) gedraagt zich bij een kortsluiting echter fundamenteel anders — en dat heeft directe gevolgen voor beveiligingsontwerp en -instelling.

Impedantiebegrensd versus stroombegrensd

Een synchrone generator levert zijn kortsluitstroom via zijn eigen magnetische reactantie: de fysica van de machine zelf bepaalt de stroom, die bij een subtransiënte fout kan oplopen tot een veelvoud (vaak 5-10× of meer) van de nominale stroom. Een netgekoppelde omvormer werkt volledig anders: de vermogenselektronica (IGBT's of soortgelijke schakelelementen) kan fysiek geen stroom leveren die de thermische en spanningsgrenzen van de halfgeleiders overschrijdt, en de regeling van de omvormer begrenst de uitgangsstroom actief tot een vooraf ingesteld maximum — ongeacht hoe laag de netimpedantie op de foutplaats is. Bij een netgekoppelde (grid-following) omvormer, zoals gebruikelijk bij de meeste bestaande PV- en BESS-installaties, ligt die begrenzing doorgaans rond 1,1 tot 1,2× de nominale stroom van de omvormer, ruwweg gedurende een paar netperioden tot de omvormer zichzelf uitschakelt.

Waarom dit relevant is voor beveiligingsontwerp

Deze fundamenteel andere foutstroomkarakteristiek heeft praktische gevolgen:

• Overstroombeveiliging die uitsluitend op de omvormerbijdrage rekent, kan onvoldoende gevoelig zijn: een conventionele overstroomrelais (ANSI 50/51) ingesteld op een veelvoud van de nominale stroom van een synchrone bron detecteert een fout die alleen door omvormers wordt gevoed — met een maximale bijdrage van slechts ~1,2×In — mogelijk helemaal niet.
• Richtingsafhankelijke en differentiaalbeveiligingen blijven functioneren, omdat deze niet afhankelijk zijn van een hoge absolute stroomwaarde maar van de fasehoek, richting of het verschil tussen ingaande en uitgaande stroom — zie ook de gids over richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (67).
• De bijdrage van een omvormerpark aan een netfout elders (bijvoorbeeld bij een naburig zonnepark dat meehelpt een fout op het net te voeden) is beperkt vergeleken bij een even groot vermogen aan synchrone opwekking — dit beïnvloedt zowel de totale beschikbare foutstroom voor detectie als het benodigde uitschakelvermogen van schakelapparatuur.

IEC 60909-0:2016: een aparte regel voor full-size converters

Om dit verschil expliciet te verdisconteren, heeft IEC 60909-0 in de editie van 2016 een aparte bepaling toegevoegd voor "power station units with full-size converters" — opwekkingseenheden die via een volledige vermogensomvormer (in plaats van rechtstreeks via een synchrone machine) met het net zijn verbonden, zoals bij de meeste PV-parken en batterijopslagsystemen het geval is. In plaats van de gebruikelijke, reactantiegebaseerde equivalente-spanningsbronmethode wordt de bijdrage van zo'n eenheid behandeld als een stroomgeregelde bron met een vaste, fabrikantopgegeven maximale bijdrage, in plaats van een impedantiebegrensde bron waarvan de bijdrage rechtstreeks uit de netimpedantie volgt.

Let op: dit artikel behandelt het principe voor gangbare netgekoppelde ("grid-following") omvormers. Nieuwere, netvormende ("grid-forming") omvormertechnologie kan zich tijdens een fout anders gedragen en is onderwerp van doorlopende normontwikkeling (onder meer binnen IEEE 2800); dit artikel geeft geen uitputtend overzicht van elke omvormerregelstrategie.

Praktische relevantie

Bij het uitvoeren van een kortsluitstroomberekening voor een net met een aanzienlijk aandeel PV- of batterijopwekking is het van belang om de bijdrage van die omvormergevoede bronnen niet op dezelfde manier te modelleren als een synchrone generator met een reactantiewaarde — de werkelijke bijdrage ligt doorgaans aanzienlijk lager, wat gevolgen heeft zowel voor het benodigde uitschakelvermogen (dat lager kan uitvallen dan bij eenzelfde vermogen aan synchrone opwekking) als voor de gevoeligheid van overstroombeveiligingen (die juist hoger moet zijn om een fout met een beperkte omvormerbijdrage nog te detecteren).

Veelgemaakte fouten

1. De kortsluitstroombijdrage van een PV- of BESS-omvormer schatten met dezelfde reactantiebenadering als een synchrone generator — dit overschat de werkelijke bijdrage aanzienlijk.
2. Overstroombeveiliging dimensioneren zonder rekening te houden met de beperkte, ~1,1-1,2×In-begrensde bijdrage van omvormergevoede bronnen aan een fout die uitsluitend door die bronnen wordt gevoed — dit kan leiden tot een beveiliging die niet aanspreekt.
3. Aannemen dat een groot geïnstalleerd PV- of BESS-vermogen automatisch een groot uitschakelvermogen van schakelapparatuur vereist — de werkelijke foutstroombijdrage van omvormergevoede bronnen is doorgaans veel lager dan het nominale vermogen zou doen vermoeden.
4. Geen onderscheid maken tussen grid-following en grid-forming omvormerregeling bij het beoordelen van de foutstroomkarakteristiek — beide kunnen zich tijdens een fout anders gedragen, en de fabrikantspecificatie van de specifieke omvormer blijft leidend.

Gerelateerd

• Kortsluitstroomberekening — IEC 60909-0 impedantiemethode
• Generatorreactanties Xd″, Xd′ en Xd
• PV-omvormer anti-eilandbedrijf (NEN-EN 50549)
• Richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (ANSI 67)