كيفية إدارة حدود «عدم توازن الأطوار الثلاثية» في المنشآت الصناعية المتوافقة مع المعيار الألماني VDE-AR-N 4105؟

معيار الشبكة الجهد المنخفض الألماني: VDE-AR-N 4105

تُعَد ألمانيا موطنًا لإحدى أكثر شبكات الكهرباء تطورًا وتنظيمًا صارمًا في العالم. ومع سعي البلاد نحو تحقيق «التحول الطاقي» (Energiewende)، يجب إدارة دمج الطاقة الشمسية الموزَّعة في شبكة التوزيع ذات الجهد المنخفض بعنايةٍ بالغة للحفاظ على سلامة النظام وموثوقيته. ويُعَد معيار VDE-AR-N 4105 التقني الأساسي الذي يحكم هذه الربط، والمعنون «المولِّدات المتصلة بشبكة توزيع الجهد المنخفض». ويضع هذا المعيار قواعد صارمة تتعلق بجودة الطاقة، ودعم الشبكة، وسلوك السلامة التي يجب أن تستوفيها جميع أنظمة التوليد. أما بالنسبة لمدراء المصانع الصناعية الألمانية، والمهندسين الكهربائيين، ومطوري أنظمة الطاقة الشمسية من قطاع الأعمال إلى الأعمال (B2B)، فإن إدارة عدم التوازن ثلاثي الأطوار (المعروف باسم Schieflast) تُعَد واحدةً من أهم متطلبات الامتثال بموجب معيار VDE-AR-N 4105. وبالفعل، قد يؤدي الفشل في الحفاظ على توازن النظام إلى رفض مشغِّلي شبكات التوزيع المحليين (DSOs) ربط النظام بالشبكة، أو إلى انقطاع فوري عن الشبكة.

يشرح هذا الدليل مفهوم عدم التوازن ثلاثي الطور، ولماذا تحدّده لائحة VDE-AR-N 4105، وكيفية إدارة أنظمة الطاقة الشمسية الصناعية وتكوينها بنجاح باستخدام محولات JYINS المتقدمة وأجهزة التحكم الذكية.

تحليل عدم التوازن ثلاثي الطور (الحمل غير المتوازن)

في شبكة تيار متناوب ثلاثية الطور متوازنة، تكون موجات الجهد والتيار في جميع الأطوار الثلاثة (L1 وL2 وL3) متساوية في السعة، ومُزاحة عن بعضها البعض بمقدار ١٢٠ درجة كهربائية بالضبط. ويحدث عدم التوازن ثلاثي الطور عندما لا تتوزَّع الأحمال الكهربائية أو قدرات التوليد بشكل متساوٍ على الأطوار الثلاثة.

لماذا تفرض شركات تشغيل الشبكة قيوداً على عدم التوازن:

• ارتفاع حرارة المحول: تؤدي التيارات غير المتساوية في الأطوار إلى توليد تيار في الخط المحايد يعود إلى محول شركة التوزيع. ويسبِّب هذا التيار ارتفاعاً مفرطاً في درجة حرارة لفات المحول المحايدة، ما يقلِّل من عمره الافتراضي وقد يؤدي إلى فشله المبكر.
• التشوهات في الجهد: يؤدي ارتفاع التيار في طور واحد إلى انخفاض محلي في الجهد على ذلك الطور، بينما يشهد الطوران الآخران ارتفاعًا في الجهد. وقد يتسبب هذا عدم التوازن في الجهد في تلف المحركات الصناعية ثلاثية الأطوار والمعدات الكهربائية الحساسة.
• انقطاع التيار بسبب عطل التوصيل بالأرض: قد يؤدي عدم التوازن الشديد إلى تشغيل مرحلات الحماية من عطل التوصيل بالأرض أو من تيار الزائد في الخط المحايد في المحطات الفرعية المحلية، ما يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي في المناطق المتأثرة.

ولمنع هذه المشكلات، تنص المواصفة القياسية الألمانية VDE-AR-N 4105 على أن أقصى فرق مسموح به في القدرة الفعّالة بين أي طورين لا يجوز أن يتجاوز ٤,٦ كيلوفولت أمبير. ويطبق هذا الحد عند نقطة الاتصال المشتركة (PCC) التي تتصل بها المنشأة الصناعية بشبكة المرافق العامة. وبغض النظر عن كون عدم التوازن ناتجًا عن أحمال استهلاكية أحادية الطور أو عن توليد غير متساوٍ للطاقة الكهروضوئية أحادي الطور، يجب أن يظل مجموع عدم التوازن تحت هذا الحد البالغ ٤,٦ كيلوفولت أمبير.

استراتيجيات التخفيف من عدم توازن الأطوار في المنشآت الصناعية

يتطلب إدارة عدم التوازن بين المراحل في المرافق الصناعية الكبيرة مزيجًا من التصميم الاستراتيجي، وتوزيع الأحمال بشكل متوازن، واختيار العاكسات الذكية بعناية:

• استخدام عاكسات السلسلة ثلاثية الطور: أسهل طريقة وأكثرها فعاليةً لمنع حدوث عدم توازن ناتج عن التوليد هي استخدام عاكسات سلسلة ثلاثية الطور مخصصة، مثل سلسلة JYINS التجارية. وتحوّل العاكسات ثلاثية الطور قوة الإخراج الخاصة بها تلقائيًّا إلى حالة توازن، بحيث تُحقن كميات متساوية من القدرة الفعّالة في الخطوط L1 وL2 وL3. وبما أن القدرة تكون متناظرة، فإن العاكس نفسه لا يسهم بأي قدرٍ في عدم توازن المراحل داخل المرفق.
• تخصيص العاكس أحادي الطور المتماثل: في الأنظمة الأصغر حجمًا التي يتعيّن فيها استخدام عواكس أحادية الطور، يجب تركيبها في مجموعات مكوّنة من ثلاثة وحدات. وبتوصيل عواكس أحادية الطور ذات السعات المتساوية بالأسلاك L1 وL2 وL3، يبقى إجمالي التوليد متوازنًا. ومع ذلك، إذا توقف أحد العواكس عن العمل بسبب عطل، فإن النظام سيواجه فورًا حالة عدم توازن. وللتقيُّد بمعيار VDE-AR-N 4105، يجب ربط هذه العواكس اتصالياً بحيث، عند انقطاع إحداها، تقوم الوحدتان الأخريان تلقائيًا بتخفيض إنتاجهما للحفاظ على حالة عدم التوازن ضمن الحد الأقصى البالغ ٤,٦ كيلوفولت أمبير.
• موازنة الأطوار للأحمال الصناعية: تحتوي المنشآت الصناعية على عدد كبير من المعدات المكتبية أحادية الطور والإضاءة والآلات المتخصصة. ويجب على المهندسين الكهربائيين إجراء جرد شامل للمنشأة وتوزيع هذه الأحمال بأكثر طريقة ممكنة تكافؤًا عبر الأطوار الثلاثة. ويقلل التحميل المتماثل في مرحلة التصميم من حالة عدم التوازن الأساسية التي يتوجب على نظام الطاقة الشمسية التفاعل معها.

دور عواكس JYINS والعدادات الذكية الخارجية

وبينما تُحلّ محوّلات التيار المتناوب ثلاثية الطور مشكلة عدم توازن التوليد، فإن عدم التوازن الفعلي عند نقطة اتصال الشبكة هو النتيجة الصافية لكلٍّ من التوليد والاستهلاك. فإذا كانت منشأة صناعية تضم أحمالاً غير متوازنة، فإن محوّل الطاقة الشمسية ثلاثي الطور المتناظر لا يمكنه تصحيح هذا الخلل دون تحكّم ذكي.

ولحلّ هذه المشكلة، تدعم محوّلات جي ينز الهجينة ثلاثية الطور الحديثة التعويض الديناميكي للطور، وتتكامل مع عدادات ذكية خارجية:

• المراقبة في الوقت الفعلي: يُركّب عداد ذكي عالي الدقة (مثل عداد جانيتزا أو جي ينز المتوافق مع معايير فديه) عند نقطة الاتصال الرئيسية بالشبكة. ويقوم هذا العداد بمراقبة التيار والطاقة الفعّالة باستمرار على الأطوار ل1 ول2 ول3، مع أخذ عيّنات عدة مرات في الثانية.
• تخصيص الطاقة الديناميكي (التحكم المستقل لكل طور): يجب أن تُخرِج المحوّلات الثلاثية الطور القياسية طاقة متساوية على جميع الأطوار. ومع ذلك، تتميز محوّلات JYINS الهجينة المتقدمة بالتحكم المستقل في طاقة كل طور. فإذا كشف العداد الذكي أن الطور L1 يستورد ٥ كيلوواط، بينما يكون الطوران L2 وL3 متوازنين، فيمكن لمحوّل JYINS الهجين تعديل عمليات التبديل الداخلية له لإدخال طاقة أكبر في الطور L1، مع خفض الإخراج في الطورين L2 وL3. ويحقّق هذا التعويض النشط للطور توازنًا ديناميكيًّا في تدفق الطاقة الصافي عند عداد المرافق.
• دمج تخزين البطاريات: أثناء فترات عدم التوازن الشديد في الحمل، يمكن لمحوّل JYINS الهجين سحب الطاقة من بنك البطاريات لتغذية الأطوار التي تحمل أحمالًا عالية جدًّا، مما يحافظ على عدم توازن الشبكة الصافي عند مستوى أقل بكثير من الحد المسموح به وفق معيار VDE-AR-N 4105 والبالغ ٤,٦ كيلوفولت أمبير.

إعداد التشغيل والتوثيق المطلوب من شركات الكهرباء الألمانية

قبل أن يُسمح لمُنشأة شمسية تجارية بالتشغيل في ألمانيا، تقوم شركة التوزيع المحلية (DSO) (مثل Westnetz أو Netze BW أو Bayernwerk) بإجراء مراجعة شاملة لتوافق المنشأة مع الشبكة الكهربائية.

• شهادة المطابقة (Einheitenzertifikat): هذه الوثيقة تثبت أن محول الطاقة JYINS قد خضع للاختبار والاعتماد من قِبل جهة أوروبية معتمدة لاختبار المعدات، وأُثبت امتثاله لكافة متطلبات معيار VDE-AR-N 4105.
• المخطط الكهربائي: مخطط تفصيلي يوضح الاتصالات ثلاثية الأطوار، ومرحلات الأمان، وموقع العداد الذكي الخارجي.
• سجلات الضبط: سجلات مطبوعة من برنامج تشغيل محول الطاقة تُظهر أن ملف شبكة التوزيع الألمانية قد تم تحديده، وأن تعويض الطور النشط مفعّل، وأن معايير الاتصال الآمن في حالات الطوارئ تعمل بكفاءة تامة.

من خلال الشراكة مع شركة JYINS واختيار محولات التيار المتناوب ثلاثية الطور عالية الأداء والمعتمدة بالكامل وأنظمة تخزين الطاقة الهجينة الخاصة بنا، يمكن لموزِّعي أنظمة الطاقة الشمسية من الشركات إلى الشركات (B2B) والمقاولين المتخصصين في مشاريع الطاقة (EPCs) تبسيط عمليات اعتماد المرافق العامة وتقديم حلول طاقة صناعية فعَّالة للغاية ومُطابقة للمعايير ومتينة عبر ألمانيا.