Kuinka hallita 'kolmivaiheista epätasapainoa' Saksan VDE-AR-N 4105 -vaatimusten mukaisten teollisuuslaitosten rajoituksia?

Saksan alajänniteverkon standardi: VDE-AR-N 4105

Saksassa on yksi maailman kehittyneimmistä ja tiukimmin säännellyistä sähköverkoista. Kun maa pyrkii saavuttamaan energiakäännet (Energiewende), jakeluverkkoon kytkettyjen aurinkosähköjärjestelmien integrointia alajänniteverkkoon on hallittava huolellisesti järjestelmän turvallisuuden ja luotettavuuden varmistamiseksi. Tätä kytkentää koskeva perustekninen standardi on VDE-AR-N 4105, jonka nimi on Generaattorit, jotka on kytketty alajännitejakeluverkkoon. Tämä standardi asettaa tiukat vaatimukset sähkön laadulle, verkon tukipalveluille ja turvallisuuskäyttäytymiselle, ja kaikkien sähkön tuottamiseen tarkoitettujen järjestelmien on täytettävä nämä vaatimukset. Saksalaisille teollisuuslaitosten johtajille, sähköinsinööreille ja B2B-aurinkosähkökehittäjille kolmivaiheisen epätasapainon hallinta (jota kutsutaan Schieflastiksi) on yksi tärkeimmistä VDE-AR-N 4105 -standardin mukaisista vaatimuksista. Jos järjestelmän tasapainoa ei pidetä riittävästi, paikallisessa jakeluverkkoyhtiössä (DSO) voidaan kieltäytyä kytkemästä järjestelmää verkkoon tai se voidaan irrottaa verkosta välittömästi.

Tässä oppaassa selitetään, mikä kolmivaiheinen epätasapaino on, miksi VDE-AR-N 4105 -standardi rajoittaa sitä ja miten teollisuuden aurinkosähköjärjestelmiä voidaan hallita ja määrittää onnistuneesti käyttäen edistyneitä JYINS-inverttereitä ja älykkäitä ohjaimia.

Kolmivaiheisen epätasapainon (Schieflast) purkaminen

Tasapainoisessa kolmivaiheisessa vaihtovirtaverkossa (AC) kaikkien kolmen vaiheen (L1, L2 ja L3) jännite- ja virta-aaltomuodot ovat yhtä suuria ja niiden välillä on tarkalleen 120 sähköastetta oleva vaihesiirto. Kolmivaiheinen epätasapaino syntyy, kun sähkökuormat tai tuotantokapasiteetit eivät ole jakautuneet tasaisesti kaikkien kolmen vaiheen kesken.

Miksi sähköverkon toimijat rajoittavat epätasapainoa:

• Muuntajan ylikuumeneminen: Epätasaiset vaiheviritat aiheuttavat nollavirran, joka kulkee takaisin verkkoyhtiön muuntajalle. Tämä virta aiheuttaa liiallista lämmönmuodostumista muuntajan nollakäämien osassa, mikä vähentää muuntajan käyttöikää ja voi johtaa ennenaikaiseen vikaantumiseen.
• Jännitevääristymät: Korkea virta yhdellä vaiheella aiheuttaa paikallisesti jännitteen laskun kyseisellä vaiheella, kun taas muilla vaiheilla jännite nousee. Tämä epätasainen jännite voi vahingoittaa herkkiä kolmivaiheisia teollisuusmoottoreita ja sähkölaitteita.
• Maasulkuherätys: Vakava vaiheepätasapaino voi aktivoida maasulkusuojareleitä tai neutraalivirtasuojareleitä paikallisissa alajakelumuuntamoissa, mikä johtaa paikallisiin sähkökatkoihin.

Näiden ongelmien estämiseksi VDE-AR-N 4105 -standardi määrää, että kahden minkä tahansa vaiheen välisen sallitun tehon epätasapainon enimmäisarvo ei saa ylittää 4,6 kVA:ta. Tämä raja koskee yhteisen liitoskohdan (PCC) jännitettä, jossa teollisuuslaitos kytketään julkiseen sähköverkkoon. Epätasapaino voi johtua yksivaiheisista kuluttajakuormista tai epätasaisesta yksivaiheisesta aurinkosähköntuotannosta, mutta kokonaismainen epätasapaino saa olla korkeintaan 4,6 kVA.

Vaiheepätasapainon lievittämisstrategiat teollisuusympäristöissä

Suuren teollisen tilan vaiheepätasapainon hallinta vaatii strategista suunnittelua, tasapainoista kuorman jakoa ja älykkäiden invertterien valintaa:

• Kolmivaiheisten järjestelmäinvertterien käyttö: Yksinkertaisin ja tehokkain tapa estää sähköntuotannon aiheuttamaa vaiheepätasapainoa on käyttää erityisiä kolmivaiheisia järjestelmäinverttereitä, kuten JYINS:n kaupallista sarjaa. Kolmivaiheinen invertteri tasapainottaa luonnostaan tehotuotantonsa ja syöttää yhtä suuren aktiivisen tehon vaiheisiin L1, L2 ja L3. Koska teho on symmetrinen, invertteri ei itse aiheuta mitään vaiheepätasapainoa tilan sähköverkkoon.
• Symmetrinen yksivaiheisten invertterien sijoittelu: Pienemmissä järjestelmissä, joissa on käytettävä yksivaiheisia inverttereitä, niitä on asennettava kolmen ryppäinä. Kun yhtä suuria kapasiteetteja olevia yksivaiheisia inverttereitä kytketään vaiheisiin L1, L2 ja L3, kokonaistuotanto pysyy tasapainossa. Jos kuitenkin yksi invertteri katkeaa vian vuoksi, järjestelmä kokee välittömästi epätasapainon. VDE-AR-N 4105 -standardin noudattamiseksi nämä invertterit on liitettävä toisiinsa viestintäyhteydellä siten, että jos yksi laite katkeaa, kaksi muuta vähentävät automaattisesti tehoaan, jotta epätasapaino pysyy alle 4,6 kVA:n.
• Teollisuuskuormien vaihetasapainottaminen: Teollisuustiloissa on runsaasti yksivaiheista toimistovarustetta, valaistusta ja erikoiskoneita. Sähköinsinöörien on tarkastettava tilat ja jaettava nämä kuormat mahdollisimman tasaisesti kolmen vaiheen kesken. Symmetrinen kuormituksen jakaminen suunnitteluvaiheessa minimoi perustasoisesta epätasapainosta, johon aurinkosähköjärjestelmän on reagoitava.

JYINS-invertterien ja ulkoisten älykkäiden mittareiden rooli

Vaikka kolmivaiheiset invertterit ratkaisevat tuotannon epätasapainon, todellinen epätasapaino sähköverkkoon kytkentäpisteessä on sekä tuotannon että kulutuksen yhteisvaikutuksen tulos. Jos teollisuuslaitoksessa on epätasapainoisia kuormia, jopa symmetrinen kolmivaiheinen aurinkoinvertteri ei pysty korjaamaan sitä ilman älykästä ohjausta.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi nykyaikaiset JYINS-kolmivaiheiset hybridinvertterit tukevat dynaamista vaihekompensointia ja integroituvat ulkoisten älykkäiden mittareiden kanssa:

• Todellisen ajan seuranta: Korkean tarkkuuden älykäs mittari (esimerkiksi VDE-yhteensopiva Janitza- tai JYINS-mittari) asennetaan pääsähköverkkoon kytkentäpisteeseen. Tämä mittari seuraa jatkuvasti virtaa ja tehokulutusta vaiheissa L1, L2 ja L3 useita kertoja sekunnissa.
• Dynaaminen tehonjakaus (vaiheesta riippumaton säätö): Standardit kolmivaiheiset invertterit täytyy tuottaa yhtä suuri teho kaikille vaiheille. Kuitenkin edistyneet JYINS:n hybridinvertterit tarjoavat vaihekohtaisen tehosäädön. Jos älykäs mittari havaitsee, että L1 ottaa vastaan 5 kW, kun taas L2 ja L3 ovat tasapainossa, JYINS-invertteri voi säätää sisäistä kytkentääan siten, että se syöttää enemmän tehoa L1-vaiheeseen ja vähentää tehotuotantoa L2- ja L3-vaiheissa. Tämä aktiivinen vaihekompensaatio tasapainottaa verkkomittarin nettotehovirtoja dynaamisesti.
• Akkuvaraston integrointi: Äärimmäisen kuorman epätasapainon aikana JYINS-hybridinvertteri voi ottaa energiaa akkupankista ja syöttää sitä tiettyihin, voimakkaasti kuormitettuihin vaiheisiin, jolloin verkkoon syntyvä epätasapaino pysyy hyvin alle VDE-AR-N 4105 -standardin mukaisen 4,6 kVA:n raja-arvon.

Säätö ja dokumentointi saksalaisille sähköverkkoyhtiöille

Ennen kuin kaupallisen aurinkovoimalan käyttöönotto voidaan hyväksyä Saksassa, paikallinen jakeluyhtiö (esim. Westnetz, Netze BW tai Bayernwerk) suorittaa kattavan sähköverkkoon liittymisen yhteensopivuustarkastelun. Hankkeen toteuttajien on toimitettava selkeä dokumentaatio, joka osoittaa noudattavan VDE-AR-N 4105 -standardia:

• Yhdenmukaisuustodistus (Einheitenzertifikat): Tämä asiakirja todistaa, että JYINS-invertteri on testattu ja sertifioitu akkreditoidun eurooppalaisen testauslaitoksen toimesta täyttäen kaikki VDE-AR-N 4105 -vaatimukset.
• Sähkökaavio: Yksityiskohtainen kaavio, jossa esitetään kolmivaiheiset liitännät, turvareleet ja ulkoisen älykkään mittarin sijainti.
• Konfiguraatiolokit: Tulostetut lokit invertterin käynnistysohjelmasta, joissa näkyy, että saksalainen verkkoprofiili on valittu, aktiivinen vaihekorjaus on otettu käyttöön ja turvallisuusvarmennetut viestintäparametrit toimivat täysin.

Kumppanuuden solmimalla JYINS:n kanssa ja valitsemalla korkean suorituskyvyn, täysin sertifioitujen kolmivaiheisten invertterien ja hybridien energiavarastojärjestelmien, B2B-auringonenergiakauppiaat ja EPC-yhtiöt voivat tehostaa hyödyntämisluvan saamistaan prosessia ja tarjoaa erinomaisen tehokkaita, vaatimustenmukaisia ja kestäviä teollisuusenergialaiteita koko Saksassa.