Come gestire i limiti di 'squilibrio trifase' negli impianti industriali conformi alla norma tedesca VDE-AR-N 4105?

Norma tedesca per le reti a bassa tensione: VDE-AR-N 4105

La Germania ospita una delle reti elettriche più sofisticate e rigorosamente regolamentate al mondo. Mentre il paese accelera verso la sua Energiewende (transizione energetica), l’integrazione dell’energia solare distribuita nella rete di bassa tensione deve essere gestita con grande attenzione per garantire sicurezza e affidabilità del sistema. Il codice tecnico fondamentale che disciplina tale connessione è lo standard VDE-AR-N 4105, intitolato Generatori collegati alla rete di distribuzione in bassa tensione. Questo standard stabilisce regole rigorose in materia di qualità dell’energia, supporto alla rete e comportamento in termini di sicurezza, a cui tutti i sistemi di generazione devono conformarsi. Per i responsabili degli impianti industriali tedeschi, gli ingegneri elettrici e gli sviluppatori B2B di impianti fotovoltaici, la gestione dello squilibrio trifase (noto come Schieflast) rappresenta uno dei requisiti di conformità più critici previsti dallo standard VDE-AR-N 4105. Il mancato mantenimento dell’equilibrio del sistema può comportare il rifiuto della connessione da parte degli operatori locali del sistema di distribuzione (DSO) oppure un immediato distacco dalla rete.

Questa guida spiega cos'è lo squilibrio trifase, perché la norma VDE-AR-N 4105 ne limita l'entità e come gestire e configurare con successo i sistemi industriali di energia solare utilizzando gli avanzati inverter JYINS e i controller intelligenti.

Analisi dello squilibrio trifase (Schieflast)

In una rete trifase a corrente alternata (AC) bilanciata, le forme d'onda di tensione e corrente delle tre fasi (L1, L2 e L3) presentano ampiezze uguali e sono sfasate tra loro esattamente di 120 gradi elettrici. Lo squilibrio trifase si verifica quando i carichi elettrici o le capacità di generazione non sono distribuiti in modo uniforme sulle tre fasi.

Perché i gestori della rete limitano lo squilibrio:

• Surriscaldamento del trasformatore: correnti di fase disuguali generano una corrente nel neutro che ritorna al trasformatore dell'ente distributore. Questa corrente provoca un surriscaldamento eccessivo degli avvolgimenti neutri del trasformatore, riducendone la durata e potenzialmente causandone un guasto prematuro.
• Distorsioni di tensione: Una corrente elevata su una singola fase provoca una caduta di tensione localizzata su tale fase, mentre le altre fasi subiscono un aumento di tensione. Questa tensione non uniforme può danneggiare i motori industriali trifase e gli apparecchi elettrici sensibili.
• Intervento dei dispositivi di protezione per guasto a terra: Uno squilibrio grave può attivare i relè di protezione contro i guasti a terra o contro il sovraccarico del neutro nelle cabine di trasformazione locali, causando interruzioni localizzate dell’alimentazione elettrica.

Per prevenire tali problemi, la norma VDE-AR-N 4105 stabilisce che lo squilibrio massimo ammissibile di potenza attiva tra due qualsiasi fasi non deve superare i 4,6 kVA. Questo limite si applica al punto di collegamento comune (PCC), ossia al punto in cui l’impianto industriale è connesso alla rete pubblica di distribuzione. Sia che lo squilibrio sia causato da carichi monofase degli utenti, sia da una generazione fotovoltaica monofase non uniforme, lo squilibrio netto deve rimanere al di sotto della soglia di 4,6 kVA.

Strategie per mitigare lo squilibrio di fase negli impianti industriali

Gestire lo squilibrio di fase nelle grandi strutture industriali richiede una combinazione di progettazione strategica, distribuzione bilanciata del carico e selezione intelligente degli inverter:

• Utilizzo di inverter stringa trifase: Il modo più semplice ed efficace per prevenire lo squilibrio causato dalla generazione è utilizzare inverter stringa trifase dedicati, come la serie commerciale JYINS. Un inverter trifase bilancia intrinsecamente la propria potenza in uscita, immettendo quantità uguali di potenza attiva nelle fasi L1, L2 e L3. Poiché la potenza è simmetrica, l'inverter stesso non contribuisce affatto allo squilibrio di fase dell'impianto.
• Assegnazione simmetrica degli inverter monofase: In sistemi di dimensioni ridotte, nei quali devono essere utilizzati inverter monofase, questi devono essere installati in gruppi di tre. Collegando capacità uguali di inverter monofase alle fasi L1, L2 e L3, la generazione complessiva rimane bilanciata. Tuttavia, se un inverter si arresta a causa di un guasto, il sistema subisce immediatamente uno squilibrio. Per conformarsi alla norma VDE-AR-N 4105, tali inverter devono essere collegati tra loro tramite un sistema di comunicazione, affinché, in caso di interruzione di un’unità, le altre due riducano automaticamente la potenza erogata per mantenere lo squilibrio al di sotto di 4,6 kVA.
• Bilanciamento delle fasi dei carichi industriali: Gli impianti industriali ospitano numerosi apparecchi monofase per ufficio, sistemi di illuminazione e macchinari specializzati. Gli ingegneri elettrici devono effettuare un audit dell’impianto e distribuire tali carichi nel modo più uniforme possibile sulle tre fasi. Un caricamento simmetrico già nella fase di progettazione riduce al minimo lo squilibrio di base con cui dovrà interagire il sistema fotovoltaico.

Il ruolo degli inverter JYINS e dei contatori intelligenti esterni

Mentre gli inverter trifase risolvono lo squilibrio di generazione, lo squilibrio effettivo nel punto di connessione alla rete è il risultato netto sia della generazione che del consumo. Se un impianto industriale presenta carichi squilibrati, anche un inverter solare trifase simmetrico non è in grado di correggerli senza un controllo intelligente.

Per risolvere questo problema, gli attuali inverter ibridi trifase JYINS supportano la compensazione dinamica di fase e si integrano con contatori intelligenti esterni:

• Monitoraggio in tempo reale: un contatore intelligente ad alta precisione (ad esempio un contatore Janitza o JYINS conforme alla norma VDE) viene installato nel punto principale di connessione alla rete. Questo contatore monitora continuamente la corrente e la potenza attiva sulle fasi L1, L2 e L3, effettuando campionamenti molte volte al secondo.
• Allocazione dinamica della potenza (controllo indipendente per fase): Gli inverter trifase standard devono erogare potenza uguale su tutte e tre le fasi. Tuttavia, gli avanzati inverter ibridi JYINS sono dotati di un controllo indipendente della potenza per fase. Se il contatore intelligente rileva che la fase L1 sta prelevando 5 kW, mentre le fasi L2 e L3 sono bilanciate, l'inverter JYINS può regolare internamente la propria commutazione per immettere più potenza nella fase L1, riducendo contemporaneamente l'uscita sulle fasi L2 e L3. Questa compensazione attiva per fase bilancia dinamicamente il flusso di potenza netto presso il contatore dell’ente distributore.
• Integrazione dello storage batteria: In caso di squilibrio di carico estremo, l'inverter ibrido JYINS può prelevare energia dal banco batterie per alimentare specifiche fasi fortemente caricate, mantenendo lo squilibrio di potenza complessivo sulla rete ben al di sotto del limite VDE-AR-N 4105 di 4,6 kVA.

Messinservizio e documentazione per gli enti distributivi tedeschi

Prima che un impianto solare commerciale possa essere autorizzato a operare in Germania, il DSO locale (ad esempio Westnetz, Netze BW o Bayernwerk) effettua un’approfondita verifica della compatibilità con la rete.

• Certificato di conformità (Einheitenzertifikat): questo documento attesta che l’inverter JYINS è stato sottoposto a test e certificato da un organismo europeo di prova accreditato per il rispetto di tutti i requisiti stabiliti dalla norma VDE-AR-N 4105.
• Schema elettrico: uno schema dettagliato che illustra i collegamenti trifase, i relè di sicurezza e la posizione del contatore intelligente esterno.
• Log di configurazione: log stampati del software di messa in servizio dell’inverter che dimostrano la selezione del profilo di rete tedesco, l’attivazione della compensazione attiva di fase e il corretto funzionamento dei parametri di comunicazione di sicurezza.

Collaborando con JYINS e scegliendo i nostri inverters trifase ad alte prestazioni e completamente certificati, nonché i nostri sistemi ibridi di accumulo energetico, i distributori B2B di solare ed EPC possono semplificare i processi di approvazione da parte dei gestori di rete e fornire soluzioni energetiche industriali altamente efficienti, conformi e durevoli in tutta la Germania.