چگونه محدودیت‌های «ناهماهنگی سه‌فاز» را در تنظیمات صنعتی مطابق با استاندارد آلمانی VDE-AR-N 4105 مدیریت کنیم؟

استاندارد آلمانی شبکه ولتاژ پایین: VDE-AR-N 4105

آلمان میزبان یکی از پیچیده‌ترین و شدیدترین شبکه‌های برق تنظیم‌شده در جهان است. با تلاش این کشور برای دستیابی به «تغییر انرژی» (Energiewende)، ادغام انرژی خورشیدی توزیع‌شده در شبکه ولتاژ پایین باید با دقت مدیریت شود تا ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم حفظ گردد. استاندارد فنی اساسی که این اتصال را تنظیم می‌کند، استاندارد VDE-AR-N 4105 با عنوان «نیروگاه‌های متصل به شبکه توزیع ولتاژ پایین» است. این استاندارد قوانین سخت‌گیرانه‌ای در زمینه کیفیت توان، پشتیبانی از شبکه و رفتار ایمنی تعیین می‌کند که تمام سیستم‌های تولید باید آن‌ها را رعایت کنند. برای مدیران نیروگاه‌های صنعتی آلمان، مهندسان برق و توسعه‌دهندگان B2B انرژی خورشیدی، مدیریت عدم تعادل سه‌فاز (که به نام Schieflast شناخته می‌شود) یکی از مهم‌ترین الزامات انطباق با استاندارد VDE-AR-N 4105 است. عدم رعایت تعادل سیستم می‌تواند منجر به رد درخواست اتصال توسط اپراتورهای محلی سیستم توزیع (DSOs) یا قطع فوری اتصال به شبکه شود.

این راهنمای کاربردی توضیح می‌دهد که عدم تعادل سه‌فاز چیست، چرا استاندارد VDE-AR-N 4105 آن را محدود می‌کند و چگونه می‌توانید با استفاده از اینورترهای پیشرفته JYINS و کنترل‌کننده‌های هوشمند، سیستم‌های صنعتی خورشیدی خود را به‌طور موفق مدیریت و پیکربندی کنید.

تحلیل عدم تعادل سه‌فاز (بار نامتوازن)

در یک شبکه جریان متناوب (AC) سه‌فاز متوازن، شکل‌موج‌های ولتاژ و جریان هر سه فاز (L1، L2 و L3) دارای دامنه‌های برابر هستند و دقیقاً به اندازه ۱۲۰ درجه الکتریکی نسبت به یکدیگر جابه‌جا شده‌اند. عدم تعادل سه‌فاز زمانی رخ می‌دهد که بارهای الکتریکی یا ظرفیت‌های تولید به‌طور یکسان در سه فاز توزیع نشده‌باشند.

دلایل محدودسازی عدم تعادل توسط اپراتورهای شبکه:

• گرم‌شدن بیش‌ازحد ترانسفورماتور: جریان‌های نامتعادل فازها، جریانی در سیم خنثی ایجاد می‌کنند که به ترانسفورماتور شرکت توزیع برق بازمی‌گردد. این جریان باعث گرم‌شدن بیش‌ازحد سیم‌پیچ‌های خنثی ترانسفورماتور شده و عمر مفید آن را کاهش داده و ممکن است منجر به خرابی زودهنگام آن شود.
• انحرافات ولتاژ: جریان بالا در یک فاز منجر به افت ولتاژ محلی در آن فاز می‌شود، در حالی که سایر فازها دچار افزایش ولتاژ می‌گردند. این عدم توازن ولتاژ می‌تواند موتورهای صنعتی سه‌فاز و تجهیزات الکتریکی حساس را آسیب‌پذیر کند.
• قطعی ناشی از خطای زمین: عدم توازن شدید می‌تواند رله‌های حفاظتی خطای زمین یا جریان اضافی در نول در ترانسفورماتورهای محلی را فعال کند و منجر به قطعی برق در مناطق محدود شود.

برای پیشگیری از این مشکلات، استاندارد VDE-AR-N 4105 الزام می‌کند که حداکثر اختلاف مجاز توان فعال بین هر دو فاز نباید از ۴٫۶ کیلوولت‌آمپر تجاوز کند. این محدودیت در نقطه اتصال مشترک (PCC) اعمال می‌شود؛ یعنی جایی که واحد صنعتی به شبکه عمومی برق متصل می‌گردد. خواه این عدم توازن ناشی از بارهای مصرفی تک‌فاز باشد یا از تولید نابرابر انرژی خورشیدی تک‌فاز، اختلاف خالص توان باید در این آستانه ۴٫۶ کیلوولت‌آمپر باقی بماند.

راهبردهای کاهش عدم توازن فاز در تأسیسات صنعتی

مدیریت عدم تعادل فاز در تأسیسات صنعتی بزرگ نیازمند ترکیبی از طراحی استراتژیک، توزیع متعادل بار و انتخاب هوشمندانه اینورتر است:

• استفاده از اینورترهای رشته‌ای سه‌فاز: ساده‌ترین و مؤثرترین روش برای جلوگیری از عدم تعادل ناشی از تولید، استفاده از اینورترهای رشته‌ای سه‌فاز اختصاصی مانند سری تجاری JYINS است. یک اینورتر سه‌فاز به‌طور ذاتی خروجی توان خود را متعادل می‌کند و مقدار برابری از توان فعال را به فازهای L1، L2 و L3 تزریق می‌کند. از آنجا که توان به‌صورت متقارن توزیع می‌شود، اینورتر خود هیچ‌گونه مشارکتی در ایجاد عدم تعادل فاز در تأسیسات ندارد.
• تخصیص معکوس‌کننده‌های تک‌فاز متقارن: در سیستم‌های کوچک‌تر که از معکوس‌کننده‌های تک‌فاز استفاده می‌شود، باید این معکوس‌کننده‌ها به‌صورت گروه‌های سه‌تایی نصب شوند. با اتصال ظرفیت‌های برابر معکوس‌کننده‌های تک‌فاز به فازهای L1، L2 و L3، تولید کلی همچنان متوازن باقی می‌ماند. با این حال، اگر یکی از معکوس‌کننده‌ها به دلیل خطا از کار بیفتد، سیستم بلافاصله با عدم تعادل مواجه خواهد شد. برای رعایت استاندارد VDE-AR-N 4105، این معکوس‌کننده‌ها باید از طریق ارتباطات به یکدیگر متصل شوند تا در صورت قطع شدن یکی از آن‌ها، دو معکوس‌کنندهٔ دیگر به‌طور خودکار توان خود را کاهش دهند تا عدم تعادل در محدودهٔ زیر ۴٫۶ کیلوولت‌آمپر حفظ شود.
• تعادل‌سازی فازها در بارهای صنعتی: اماکن صنعتی پر از تجهیزات دفتری تک‌فاز، روشنایی و ماشین‌آلات تخصصی هستند. مهندسان برق باید این اماکن را ارزیابی کرده و این بارها را تا حد امکان به‌صورت یکنواخت در سراسر سه فاز توزیع کنند. بارگذاری متقارن در مرحلهٔ طراحی، عدم تعادل پایه‌ای را که سیستم خورشیدی باید با آن تعامل داشته باشد، به حداقل می‌رساند.

نقش معکوس‌کننده‌های JYINS و کنتورهای هوشمند خارجی

اگرچه اینورترهای سه‌فاز مشکل نامتعادل‌بودن تولید را حل می‌کنند، اما نامتعادل‌بودن واقعی در نقطه اتصال به شبکه نتیجه خالص هم‌زمان تولید و مصرف است. اگر یک واحد صنعتی بارهای نامتعادل داشته باشد، حتی یک اینورتر خورشیدی سه‌فاز متقارن نیز بدون کنترل هوشمند نمی‌تواند آن را اصلاح کند.

برای رفع این مسئله، اینورترهای سه‌فاز ترکیبی جدید JYINS از جبران‌سازی پویا فازها پشتیبانی می‌کنند و با کنتورهای هوشمند خارجی یکپارچه می‌شوند:

• پایش بلادرنگ: یک کنتور هوشمند با دقت بالا (مانند کنتور Janitza یا JYINS مطابق با استاندارد VDE) در نقطه اصلی اتصال به شبکه نصب می‌شود. این کنتور به‌طور مداوم جریان و توان فعال در فازهای L1، L2 و L3 را اندازه‌گیری کرده و چندین بار در هر ثانیه نمونه‌برداری می‌کند.
• تخصیص پویای توان (کنترل مستقل فازها): اینورترهای سه‌فاز استاندارد باید توان یکسانی را در تمام فازها خروجی دهند. با این حال، اینورترهای ترکیبی پیشرفتهٔ JYINS امکان کنترل مستقل توان هر فاز را فراهم می‌کنند. اگر کنتور هوشمند تشخیص دهد که فاز L1 در حال وارد کردن ۵ کیلووات توان است، در حالی که فازهای L2 و L3 متعادل هستند، اینورتر JYINS می‌تواند با تنظیم سوئیچینگ داخلی خود، توان تزریقی به فاز L1 را افزایش داده و خروجی فازهای L2 و L3 را کاهش دهد. این جبران فعال فازها، جریان خالص توان را در کنتور شبکه به‌صورت پویا متعادل می‌کند.
• ادغام ذخیره‌سازی باتری: در شرایط عدم تعادل شدید بار، اینورتر ترکیبی JYINS می‌تواند انرژی لازم را از بانک باتری دریافت کرده و آن را به فازهایی که بار شدیدی دارند تزریق کند تا عدم تعادل خالص توان در شبکه به‌طور قابل‌توجهی زیر حد مجاز VDE-AR-N 4105 (۴٫۶ کیلوولت‌آمپر) باقی بماند.

راه‌اندازی و مستندسازی برای شرکت‌های توزیع برق آلمان

پیش از اینکه یک نیروگاه خورشیدی تجاری مجاز به بهره‌برداری در آلمان شود، شرکت توزیع برق منطقه‌ای (DSO) مانند Westnetz، Netze BW یا Bayernwerk بررسی جامعی از سازگونی پروژه با شبکه انجام می‌دهد. توسعه‌دهندگان باید اسناد شفافی ارائه کنند که نشان‌دهنده رعایت الزامات VDE-AR-N 4105 باشد.

• گواهی انطباق (Einheitenzertifikat): این سند اثبات می‌کند که اینورتر JYINS توسط یک مرکز آزمون اروپایی معتبر مورد آزمون و گواهی قرار گرفته و تمامی الزامات VDE-AR-N 4105 را برآورده می‌کند.
• نقشه الکتریکی: نقشه‌ای دقیق که اتصالات سه‌فاز، رله‌های ایمنی و محل کنتور هوشمند خارجی را نشان می‌دهد.
• لاگ‌های پیکربندی: لاگ‌های چاپ‌شده از نرم‌افزار راه‌اندازی اینورتر که نشان می‌دهد پروفایل شبکه آلمان انتخاب شده، جبران فاز فعال فعال‌سازی شده و پارامترهای ارتباطی احتیاطی (fail-safe) به‌طور کامل عملیاتی هستند.

با همکاری با JYINS و انتخاب اینورترهای سه‌فاز با عملکرد بالا و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ترکیبی کاملاً مورد تأیید ما، توزیع‌کنندگان خورشیدی B2B و شرکت‌های EPC می‌توانند فرآیندهای تأییدیه برق‌رسانی را ساده‌سازی کرده و راه‌حل‌های صنعتی کارآمد، مطابق با استانداردها و بادوام در سراسر آلمان ارائه دهند.