איך להתמודד עם מגבלות 'אי-איזון תלת-פאזי' בהקמות תעשייתיות المتوאמות לתקן הגרמני VDE-AR-N 4105?

התקן הגרמני לרשת נמוכה-מתח: VDE-AR-N 4105

גרמניה היא מולדת אחת הרשתות החשמליות המתקדמות והממוסדרות ביותר בעולם. ככל שהמדינה מקדמת את 'המעבר האנרגטי' (Energiewende), יש לנהל בעיה זהירה את שילוב הכוח הסולרי המופץ ברשת הנמוכה-מתח כדי לשמור על בטיחות ואמינות המערכת. הקוד הטכני הבסיסי שמתיר את החיבור הזה הוא הסטנדרט VDE-AR-N 4105, ששמו 'מחברים יצרנים לרשת הפצה נמוכה-מתח'. הסטנדרט קובע כללים מחמירים באיכות החשמל, תמיכה ברשת והתנהגות בטיחותית שכולן מערכות הייצור חייבות לקיים. עבור מנהלי תחנות תעשייתיות בגרמניה, מהנדסי חשמל ומפתחי סולאריים B2B, ניהול אי-איזון של שלושת הפאזות (הידוע כ-Schieflast) הוא אחד מהדרישות החשובות ביותר להיענות להוראות הסטנדרט VDE-AR-N 4105. כשל בהשגת איזון המערכת עלול לגרום לסרב החיבור על ידי ארגוני הפצה מקומיים (DSOs) או להתנתקות מיידית מהרשת.

מדריך זה מסביר מהו אי-איזון תלת-פאזי, למה הסטנדרט VDE-AR-N 4105 מגביל אותו, וכיצד ניתן לנהל ולتكوين בהצלחה מערכות סולאריות תעשייתיות באמצעות ממריצים מתקדמים של JYINS ובקרים חכמים.

פירוק אי-האיזון התלת-פאזי (Schieflast)

ברשת זרם חילופין (AC) תלת-פאזית מאוזנת, גלי המתח והזרם של כל אחת משלוש הפאזות (L1, L2 ו-L3) בעלי אמפליטודה זהה ונעוצים זה ביחס לזה ב-120 מעלות חשמליות בדיוק. אי-איזון תלת-פאזי מתרחש כאשר עומסי החשמל או כוחות היצור אינם מתפזרים באופן שווה על פני שלוש הפאזות.

למה ספקי הרשת מגבילים את אי-האיזון:

• חימום יתר של טרנספורמטור: זרמים פאזיים לא שווים יוצרים זרם נייטרלי שזורם חזרה לטרנספורמטור של חברת החשמל. זרם זה גורם לחימום יתר בכריכות הנייטרליות של הטרנספורמטור, מקצר את חייו ועשוי לגרום לאי-תפקוד מוקדם.
• הפרעות מתח: זרם גבוה בפאזה אחת גורם לירידת מתח מקומית באותה פאזה, בעוד ששאר הפאזות חווים עלייה במתח. אי-האיזון הזה במתח עלול לפגוע במנועים תעשייתיים תלת-פאזיים רגישים ובציוד חשמלי אחר.
• הפעלת מערכות הגנה מפני תקלה באדמה: אי-איזון חמור עלול להפעיל את מערכות ההגנה מפני תקלה באדמה או מערכות הגנה מפני זרם יתר בנקודה הניוטרלית בתחנות משנה מקומיות, מה שיגרום להפסקות חשמל מקומיות.

כדי למנוע בעיות אלו, תקן VDE-AR-N 4105 קובע כי אי-האיזון המרבי המותר של הספק פעיל בין שתי פאזות כלשהן לא יעלה על 4.6 קילו-וואט. הגבלה זו חלה על נקודת החיבור המשותפת (PCC), שבה המתקן התעשייתי מחובר לרשת החשמל הציבורית. האם נגרם אי-האיזון על ידי עומסים חד-פאזיים של צרכנים או על ידי ייצור פוטו-וולטאי חד-פאזי לא מאוזן – סך אי-האיזון חייב להישאר מתחת לסף זה של 4.6 קילו-וואט.

אסטרטגיות להפחתת אי-איזון פאזות בתוכניות תעשיות

ניהול חוסר איזון בין הפאזות במתקנים תעשייתיים גדולים דורש שילוב של תכנון אסטרטגי, התפלגות מאוזנת של עומסים ובחר מומחה באינורטרים חכמים:

• השתמש באינורטרים חוטיים תלת-פאזיים: הדרך הפשוטה והיעילה ביותר למנוע חוסר איזון הנגרם על ידי ייצור היא להשתמש באינורטרים חוטיים תלת-פאזיים מיוחדים, כגון סדרת JYINS המסחרית. אינורטר תלת-פאזי מאזן באופן טבעי את פליטת ההספק שלו, ומכניס כמויות שוות של הספק פעיל ל-L1, L2 ו-L3. מכיוון שההספק סימטרי, האינורטר עצמו לא תורם כלל לחוסר האיזון בין הפאזות במתקן.
• הקצאת מַהֲפִיכִים חד-פאזיים סימטרית: במערכות קטנות שבהן יש להשתמש במַהֲפִיכִים חד-פאזיים, יש להתקין אותם בקבוצות של שלושה. על ידי חיבור מַהֲפִיכִים חד-פאזיים בעלי קיבולת זהה ל-L1, L2 ו-L3, ההפקה הכוללת נותרת מאוזנת. עם זאת, אם מַהֲפִיך אחד ננעל עקב תקלה, המערכת תחווה מיד אי-איזון. כדי לעמוד בדרישות התקן VDE-AR-N 4105, המַהֲפִיכִים האלה חייבים להיות מחוברים לקשר תקשורת, כך שאם יחידת אחת ננעלת, שתי היחידות האחרות יקטינו אוטומטית את תפוקתן כדי לשמור על האי-איזון מתחת ל-4.6 קילו-וואט-אמפר.
• איזון פאזות של עומסי תעשייה: מתקני תעשייה מלאים בציוד משרדי חד-פאזי, תאורה ומכונות מיוחדות. מהנדסי חשמל חייבים לבצע ביקורת באתר ולהפיץ עומסים אלו באופן שוויוני ככל האפשר על שלוש הפאזות. טעינה סימטרית בשלב התכנון ממזערת את האי-איזון הבסיסי שעליו חייבת לפעול מערכת הסולארית.

התפקיד של המַהֲפִיכִים של JYINS ומונים חכמים חיצוניים

בעוד שמשנות תלת-פאזיות פותרות את אי-האיזון בהפקה, אי-האיזון הממשי בנקודת החיבור לרשת הוא התוצאה הכוללת של הפקה ותצרוכת. אם מתקנים תעשייתיים נטענים באופן לא מאוזן, גם משנת סולארית תלת-פאזית סימטרית אינה יכולה לתקן זאת ללא בקרה אינטליגנטית.

כדי לפתור בעיה זו, משנות היברידיות תלת-פאזיות מודרניות של JYINS תומכות באיזון פאזה דינמי ומתחברות למונים חכמים חיצוניים:

• מערכת מעקב בזמן אמת: מונה חכם בעל דיוק גבוה (למשל מונה Janitza או מונה JYINS المتوافق עם הסטנדרט VDE) מותקן בנקודת החיבור הראשית לרשת. המונה עוקב באופן רציף על הזרם וההספק הפעיל על L1, L2 ו-L3, תוך מדידות חוזרות מספר פעמים בשנייה.
• הקצאת הספק דינמית (בקרת פאזה-בלתי-תלויה): ממרנים תלת-פאזיים סטנדרטיים חייבים לספק הספק שווה בכל הפאזות. עם זאת, הממרנים ההיברידיים המתקדמים של JYINS מצוידים בבקרת הספק עצמאית לכל פאזה. אם מד החכם מזהה כי בפאזה L1 יש ייבוא של 5 קילוואט, בעוד ש-L2 ו-L3 מאוזנות, הממרן ההיברידי של JYINS יכול להתאים את הפעולה הפנימית שלו כדי להזריק הספק רב יותר ל-L1 ולפחית את הפלט ב-L2 וב-L3. תהליך האיזון האקטיבי של הפאזות הזה מאזן באופן דינמי את זרימת ההספק הכוללת במונה החשמל.
• שילוב אחסון סוללות: בזמן אי-איזון קיצוני של עומס, הממרן ההיברידי של JYINS יכול למשוך אנרגיה מסוללת הסוללות כדי לספק חשמל לפאזות מסוימות שמתעכלות בעומס כבד, וכך לשמור על אי-איזון רשת החשמל הכולל מתחת לגבול של VDE-AR-N 4105 – 4.6 קילו-וולט-אמפר.

הגדרה ותיעוד עבור חברות החשמל הגרמניות

לפני שמתן רישיון לפעולת מתקן סולרי מסחרי בגרמניה, סוכנות הרשת המקומית (DSO) – כגון Westnetz, Netze BW או Bayernwerk – תבצע סקירה מקיפה של התאמה לרשת. המפתחים חייבים לספק מסמכים ברורים המוכיחים את ההתאמה לתקנים VDE-AR-N 4105:

• תעודת התאמה (Einheitenzertifikat): מסמך זה מאשר כי הממיר JYINS עבר בדיקות ואושר על ידי גוף אירופי מוסמך לביצוע בדיקות, ומקיים את כל הדרישות של VDE-AR-N 4105.
• תרשים חשמלי: תרשים מפורט המציג את החיבורים תלת־פאזיים, הרelay הבטיחותיים ומיקום מד הסמרט החיצוני.
• יומנים של הגדרות: יומנים מודפסים מתוכנת ההפעלה של הממיר, המראים שהגדרת פרופיל הרשת הגרמנית נבחרה, פונקציית תיקון הפאזות האקטיבית הופעלה, ופרמטרי התקשורת הבטוחה (fail-safe) פועלים כראוי.

על ידי שיתוף פעולה עם JYINS ובבחירת הממיר התלת-פאזי בעל הביצועים הגבוהים שלנו והמערכות ההיברידיות לאגירת אנרגיה, אשר עברו אישור מלא, ספקים מסחריים של מערכות סולאריות וחברות EPC יוכלו לפשט את תהליכי האישור על ידי הרשויות ולספק פתרונות אנרגיה תעשייתיים בעלי יעילות גבוהה, עמידה בדרישות התקנות ועמידות מוגברת ברחבי גרמניה.