Wie lassen sich die Grenzwerte für ‚Dreiphasen-Ungleichgewicht‘ in industriellen Anlagen einhalten, die der deutschen Norm VDE-AR-N 4105 entsprechen?

Deutscher Niederspannungsnetz-Standard: VDE-AR-N 4105

Deutschland beherbergt eines der fortschrittlichsten und strengsten Stromnetze der Welt. Während das Land seine Energiewende vorantreibt, muss die Integration dezentraler Solarenergie in das Niederspannungsnetz sorgfältig gesteuert werden, um die Systemsicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Die grundlegende technische Regelung für diesen Anschluss ist die VDE-AR-N 4105, mit dem Titel ‚Erzeugeranlagen im Niederspannungsnetz‘. Diese Regelung legt strenge Anforderungen an die Netzqualität, Netzdienstleistungen und Sicherheitsverhalten fest, die alle Erzeugungsanlagen erfüllen müssen. Für industrielle Anlagenbetreiber, Elektroingenieure und B2B-Solaranlagenentwickler in Deutschland stellt die Steuerung der Dreiphasen-Ungleichverteilung (auch als Schieflast bekannt) eine der kritischsten Konformitätsanforderungen gemäß VDE-AR-N 4105 dar. Wird die Systemausgewogenheit nicht gewährleistet, kann dies zur Ablehnung des Anschlusses durch den zuständigen lokalen Netzbetreiber (DSO) oder zur sofortigen Netzabschaltung führen.

Diese Anleitung erläutert, was Dreiphasen-Ungleichgewicht ist, warum die VDE-AR-N 4105 dies begrenzt und wie Sie Ihre industriellen Solarstromanlagen erfolgreich steuern und konfigurieren können – unter Verwendung fortschrittlicher JYINS-Wechselrichter und intelligenter Steuergeräte.

Zerlegung des Dreiphasen-Ungleichgewichts (Schieflast)

In einem ausgeglichenen dreiphasigen Wechselstromnetz (AC) weisen die Spannungs- und Stromwellenformen aller drei Phasen (L1, L2 und L3) gleiche Amplituden auf und sind exakt um 120 elektrische Grad gegeneinander versetzt. Ein Dreiphasen-Ungleichgewicht tritt auf, wenn die elektrischen Lasten oder Erzeugungskapazitäten nicht gleichmäßig auf die drei Phasen verteilt sind.

Warum Netzbetreiber Ungleichgewichte begrenzen:

• Überhitzung von Transformatoren: Ungleichmäßige Phasenströme erzeugen einen Neutralleiterstrom, der zum Versorgungstransformator zurückfließt. Dieser Strom führt zu einer übermäßigen Erwärmung der Neutralwicklung des Transformators, verkürzt dessen Lebensdauer und kann zu einem vorzeitigen Ausfall führen.
• Spannungsverzerrungen: Ein hoher Strom auf einer einzelnen Phase verursacht einen lokalen Spannungsabfall auf dieser Phase, während die anderen Phasen eine Spannungserhöhung erfahren. Diese ungleichmäßige Spannung kann empfindliche dreiphasige Industriemotoren und elektrische Geräte beschädigen.
• Auslösung durch Erdschluss: Eine starke Ungleichverteilung kann Erdfehler- oder Neutralleiter-Überstromschutzeinrichtungen an lokalen Umspannwerken auslösen und so zu lokalen Stromausfällen führen.

Um diese Probleme zu vermeiden, schreibt die VDE-AR-N 4105 vor, dass die maximal zulässige aktive Leistungsungleichverteilung zwischen zwei beliebigen Phasen 4,6 kVA nicht überschreiten darf. Diese Grenze gilt am Verknüpfungspunkt (PCC), an dem die industrielle Anlage an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossen ist. Unabhängig davon, ob die Ungleichverteilung durch einphasige Verbraucherlasten oder ungleiche einphasige PV-Einspeisung verursacht wird, muss die resultierende Ungleichverteilung diesen Schwellenwert von 4,6 kVA unterschreiten.

Strategien zur Minderung der Phasenungleichverteilung in industriellen Anlagen

Die Steuerung von Phasenungleichgewichten in großen industriellen Anlagen erfordert eine Kombination aus strategischem Design, ausgewogener Lastverteilung und intelligenter Wechselrichterauswahl:

• Verwendung von Dreiphasen-String-Wechselrichtern: Der einfachste und effektivste Weg, erzeugungsbedingte Ungleichgewichte zu vermeiden, besteht in der Nutzung dedizierter Dreiphasen-String-Wechselrichter wie der JYINS-Commercial-Serie. Ein Dreiphasen-Wechselrichter balanciert seine Leistungsabgabe von Natur aus und speist gleiche Mengen an Wirkleistung in L1, L2 und L3 ein. Da die Leistung symmetrisch ist, trägt der Wechselrichter selbst nicht zum Phasenungleichgewicht der Anlage bei.
• Symmetrische Zuweisung von einphasigen Wechselrichtern: In kleineren Anlagen, bei denen zwingend einphasige Wechselrichter eingesetzt werden müssen, ist deren Installation in Dreiergruppen erforderlich. Durch Anschluss gleich großer Leistungen einphasiger Wechselrichter an L1, L2 und L3 bleibt die Gesamtstromerzeugung ausgeglichen. Fällt jedoch ein Wechselrichter aufgrund einer Störung aus, entsteht sofort eine Phasenunsymmetrie. Um die VDE-AR-N 4105 einzuhalten, müssen diese Wechselrichter kommunikationsfähig miteinander verbunden sein, sodass bei Ausfall eines Geräts die beiden anderen automatisch ihre Leistung reduzieren, um die Phasenunsymmetrie unter 4,6 kVA zu halten.
• Phasenausgleich industrieller Lasten: Industrieanlagen enthalten zahlreiche einphasige Bürogeräte, Beleuchtungseinrichtungen und spezielle Maschinen. Elektroingenieure müssen die Anlage auditieren und diese Lasten möglichst gleichmäßig auf alle drei Phasen verteilen. Eine symmetrische Lastverteilung bereits in der Planungsphase minimiert die Grundunsymmetrie, mit der das Photovoltaiksystem interagieren muss.

Die Rolle der JYINS-Wechselrichter und externer intelligenter Zähler

Während Drehstrom-Wechselrichter die Erzeugungsunsymmetrie beheben, ergibt sich die tatsächliche Unsymmetrie am Netzanschlusspunkt aus der Summe von Erzeugung und Verbrauch. Wenn eine industrielle Anlage unsymmetrische Lasten aufweist, kann selbst ein symmetrischer Drehstrom-Solarwechselrichter diese ohne intelligente Steuerung nicht korrigieren.

Um dies zu lösen, unterstützen moderne JYINS-Drehstrom-Hybridwechselrichter eine dynamische Phasenkompensation und sind mit externen intelligenten Zählern kompatibel:

• Echtzeitüberwachung: Ein hochpräziser intelligenter Zähler (z. B. ein VDE-konformer Janitza- oder JYINS-Zähler) wird am Hauptnetzanschlusspunkt installiert. Dieser Zähler überwacht kontinuierlich den Strom und die Wirkleistung an L1, L2 und L3 und nimmt mehrere Messungen pro Sekunde vor.
• Dynamische Leistungsverteilung (phasenunabhängige Steuerung): Standard-Dreiphasen-Wechselrichter müssen auf allen Phasen gleiche Leistung abgeben. Fortschrittliche JYINS-Hybridwechselrichter hingegen verfügen über eine unabhängige Phasenleistungssteuerung. Wenn der intelligente Zähler erkennt, dass L1 5 kW aus dem Netz bezieht, während L2 und L3 ausgeglichen sind, kann der JYINS-Wechselrichter seine interne Schaltlogik anpassen, um mehr Leistung in L1 einzuspeisen und die Ausgabe auf L2 und L3 zu reduzieren. Diese aktive Phasenkompensation gleicht den Netto-Leistungsfluss am Versorgungszähler dynamisch aus.
• Integration von Batteriespeichern: Bei extremen Lastunsymmetrien kann der JYINS-Hybridwechselrichter Energie aus dem Batteriespeicher entnehmen, um gezielt stark belastete Phasen zu versorgen und so die Netzeinspeisungsunsymmetrie deutlich unter den VDE-AR-N 4105-Grenzwert von 4,6 kVA zu halten.

Inbetriebnahme und Dokumentation für deutsche Versorgungsunternehmen

Bevor eine kommerzielle Solaranlage in Deutschland den Betrieb aufnehmen darf, führt der zuständige lokale Verteilnetzbetreiber (z. B. Westnetz, Netze BW oder Bayernwerk) eine gründliche Prüfung der Netzverträglichkeit durch. Die Projektentwickler müssen klare Nachweise vorlegen, dass die Anforderungen der VDE-AR-N 4105 erfüllt sind:

• Konformitätszertifikat (Einheitenzertifikat): Dieses Dokument bestätigt, dass der JYINS-Wechselrichter von einer akkreditierten europäischen Prüfstelle getestet und zertifiziert wurde und alle Anforderungen der VDE-AR-N 4105 erfüllt.
• Elektrisches Schaltbild: Ein detailliertes Schaltbild mit Darstellung der dreiphasigen Anschlüsse, der Sicherheitsrelais sowie des Standorts des externen intelligenten Zählers.
• Konfigurationsprotokolle: Ausgedruckte Protokolle der Inbetriebnahmesoftware des Wechselrichters, aus denen hervorgeht, dass das deutsche Netzprofil ausgewählt wurde, die aktive Phasenkompensation aktiviert ist und die Parameter für die fehlersichere Kommunikation vollständig funktionsfähig sind.

Durch die Zusammenarbeit mit JYINS und die Auswahl unserer leistungsstarken, vollständig zertifizierten Dreiphasen-Wechselrichter sowie hybriden Energiespeichersysteme können B2B-Solarhändler und EPCs ihre Genehmigungsprozesse bei den Versorgungsunternehmen optimieren und hochgradig effiziente, konforme sowie langlebige industrielle Energiesysteme in ganz Deutschland bereitstellen.