Jak radzić sobie z ograniczeniami „niewyrównania trójfazowego” w przemysłowych instalacjach zgodnych z niemiecką normą VDE-AR-N 4105?

Niemiecki standard niskonapięciowej sieci dystrybucyjnej: VDE-AR-N 4105

Niemcy są krajem, w którym znajduje się jedna z najbardziej zaawansowanych i surowo regulowanych sieci elektroenergetycznych na świecie. W miarę jak kraj realizuje swój program Energiewende (przemiany energetycznej), integracja rozproszonej energii słonecznej do sieci niskiego napięcia wymaga starannego zarządzania w celu zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności systemu. Podstawowym kodeksem technicznym regulującym takie połączenia jest norma VDE-AR-N 4105 zatytułowana „Generatory podłączone do sieci rozdzielczej niskiego napięcia”. Norma ta określa surowe wymagania dotyczące jakości energii elektrycznej, wsparcia dla sieci oraz zachowań zapewniających bezpieczeństwo, które muszą spełniać wszystkie systemy generacji. Dla niemieckich menedżerów zakładów przemysłowych, inżynierów elektryków oraz deweloperów rozwiązań fotowoltaicznych działających na rynku B2B zarządzanie asymetrią trójfazową (tzw. Schieflast) stanowi jedno z najważniejszych wymagań zgodności z normą VDE-AR-N 4105. Nieprzestrzeganie wymogu równowagi systemu może skutkować odmową przyłączenia przez lokalnego operatora systemu dystrybucyjnego (DSO) lub natychmiastowym odłączeniem od sieci.

Ten przewodnik wyjaśnia, czym jest asymetria trójfazowa, dlaczego norma VDE-AR-N 4105 ją ogranicza oraz jak skutecznie zarządzać i konfigurować swoje przemysłowe systemy fotowoltaiczne przy użyciu zaawansowanych falowników JYINS i inteligentnych sterowników.

Analiza asymetrii trójfazowej (Schieflast)

W zrównoważonej sieci prądu przemiennego (AC) trójfazowego napięcia i przebiegi prądów we wszystkich trzech fazach (L1, L2 i L3) mają jednakowe amplitudy i są przesunięte względem siebie dokładnie o 120 stopni elektrycznych. Asymetria trójfazowa występuje wtedy, gdy obciążenia elektryczne lub moce generowane nie są równomiernie rozłożone na wszystkie trzy fazy.

Dlaczego operatorzy sieci ograniczają asymetrię:

• Przegrzewanie transformatora: Nierównomierne prądy fazowe powodują powstanie prądu neutralnego, który przepływa z powrotem do transformatora dostawcy energii. Prąd ten powoduje nadmierne nagrzewanie się uzwojeń neutralnych transformatora, skracając jego żywotność i potencjalnie prowadząc do przedwczesnego uszkodzenia.
• Zniekształcenia napięcia: Wysoki prąd w jednej fazie powoduje lokalny spadek napięcia w tej fazie, podczas gdy pozostałe fazy doświadczają wzrostu napięcia. Takie niestabilne napięcie może uszkodzić czułe trójfazowe silniki przemysłowe oraz sprzęt elektryczny.
• Wyzwalanie zabezpieczenia przed zwarciem do ziemi: Silna niestabilność może aktywować zabezpieczenia przed zwarciem do ziemi lub nadprądem w przewodzie neutralnym w lokalnych stacjach transformatorowych, co prowadzi do lokalnych przerw w zasilaniu.

Aby zapobiec tym problemom, norma VDE-AR-N 4105 wymaga, aby maksymalny dopuszczalny niedobór mocy czynnej między dowolnymi dwiema fazami nie przekraczał 4,6 kVA. Ten limit obowiązuje w punkcie wspólnego sprzężenia (PCC), w którym zakład przemysłowy jest połączony z publiczną siecią energetyczną. Niezależnie od tego, czy niestabilność wynika z obciążeń jednofazowych odbiorców, czy nierównomiernego wytwarzania energii przez jednofazowe systemy fotowoltaiczne, całkowita niestabilność musi pozostawać poniżej progu 4,6 kVA.

Strategie minimalizacji niestabilności faz w układach przemysłowych

Zarządzanie niezrównoważeniem faz w dużych obiektach przemysłowych wymaga połączenia strategicznego projektowania, zrównoważonego rozdziału obciążenia oraz inteligentnego doboru falowników:

• Wykorzystanie falowników łańcuchowych trójfazowych: Najprostszym i najskuteczniejszym sposobem zapobiegania niezrównoważeniu faz powodowanemu przez generację jest użycie dedykowanych falowników łańcuchowych trójfazowych, takich jak seria komercyjna JYINS. Falownik trójfazowy z natury równoważy swoją moc wyjściową, wprowadzając równe ilości mocy czynnej do faz L1, L2 i L3. Ponieważ moc jest symetryczna, sam falownik nie wpływa na niezrównoważenie faz w obiekcie.
• Równomierna alokacja falowników jednofazowych: W mniejszych systemach, w których konieczne jest użycie falowników jednofazowych, muszą one być instalowane w grupach po trzy. Poprzez podłączenie falowników jednofazowych o jednakowej mocy do faz L1, L2 i L3 ogólna generacja pozostaje zrównoważona. Jednak w przypadku wyłączenia się jednego falownika z powodu awarii system natychmiast doświadczy niestabilności obciążenia. Aby spełnić wymagania normy VDE-AR-N 4105, falowniki te muszą być połączone ze sobą za pomocą komunikacji, dzięki czemu w przypadku wyłączenia jednostki pozostałe dwie automatycznie ograniczają moc, aby utrzymać niestabilność poniżej 4,6 kVA.
• Zrównoważenie obciążeń przemysłowych: Obiekty przemysłowe są pełne jednofazowego sprzętu biurowego, oświetlenia oraz specjalistycznych maszyn. Inżynierowie elektrycy muszą przeprowadzić audyt obiektu i jak najbardziej równomiernie rozdzielić te obciążenia pomiędzy trzy fazy. Zrównoważone obciążenie na etapie projektowania minimalizuje podstawową niestabilność obciążenia, z którą musi współdziałać system fotowoltaiczny.

Rola falowników JYINS oraz zewnętrznych inteligentnych liczników

Chociaż falowniki trójfazowe rozwiązają problem niestabilności generacji, rzeczywista niestabilność w punkcie przyłączenia do sieci jest wynikiem łącznym zarówno generacji, jak i zużycia. Jeśli zakład przemysłowy posiada obciążenia niestabilne, nawet symetryczny falownik trójfazowy do systemów fotowoltaicznych nie jest w stanie ich skorygować bez zastosowania inteligentnej kontroli.

Aby rozwiązać ten problem, nowoczesne trójfazowe falowniki hybrydowe JYINS obsługują dynamiczną kompensację faz oraz integrują się z zewnętrznymi inteligentnymi licznikami:

• Monitorowanie w czasie rzeczywistym: W głównym punkcie przyłączenia do sieci instalowany jest wysokiej precyzji inteligentny licznik (np. zgodny z normą VDE licznik firmy Janitza lub JYINS). Licznik ten stale monitoruje prąd oraz moc czynną na fazach L1, L2 i L3, dokonując pomiarów kilkukrotnie na sekundę.
• Dynamiczne przydzielanie mocy (sterowanie niezależne od fazy): Standardowe trójfazowe falowniki muszą dostarczać jednakową moc na wszystkie fazy. Zaawansowane hybrydowe falowniki JYINS cechują się natomiast niezależnym sterowaniem mocy na poszczególnych fazach. Jeśli inteligentny licznik wykryje, że faza L1 pobiera 5 kW, podczas gdy fazy L2 i L3 są zrównoważone, falownik JYINS może dostosować swoje wewnętrzne przełączanie tak, aby wprowadzić większą moc do fazy L1 i jednocześnie zmniejszyć moc wyjściową na fazach L2 i L3. To aktywne kompensowanie faz zapewnia dynamiczne zrównoważenie całkowitego przepływu mocy na poziomie licznika sieciowego.
• Integracja magazynu energii w postaci baterii: W przypadku skrajnego nierównowagi obciążenia hybrydowy falownik JYINS może pobierać energię z banku baterii, aby zasilać konkretne, silnie obciążone fazy, utrzymując całkowitą nierównowagę mocy pobieranej ze sieci poniżej granicy określonej w normie VDE-AR-N 4105, wynoszącej 4,6 kVA.

Wprowadzanie do eksploatacji i dokumentacja przeznaczona dla niemieckich operatorów sieci energetycznych

Zanim komercyjna instalacja fotowoltaiczna może zostać dopuszczona do eksploatacji w Niemczech, lokalny operator systemu dystrybucyjnego (DSO), taki jak Westnetz, Netze BW lub Bayernwerk, przeprowadza szczegółową analizę zgodności z siecią.

• Certyfikat zgodności (Einheitenzertifikat): Ten dokument potwierdza, że falownik JYINS został przetestowany i certyfikowany przez akredytowane europejskie laboratorium badawcze pod kątem spełnienia wszystkich wymagań normy VDE-AR-N 4105.
• Schemat elektryczny: Szczegółowy schemat przedstawiający połączenia trójfazowe, przekaźniki bezpieczeństwa oraz położenie zewnętrznego inteligentnego licznika.
• Dzienniki konfiguracji: Wydrukowane dzienniki z oprogramowania do wprowadzania falownika do eksploatacji, które pokazują, że wybrano niemiecki profil sieci, włączono kompensację czynną fazową oraz że parametry bezpiecznej komunikacji działają w pełni poprawnie.

Współpracując z JYINS i wybierając nasze wysokowydajne, w pełni certyfikowane trójfazowe falowniki oraz hybrydowe systemy magazynowania energii, dystrybutorzy i firmy EPC zajmujące się rozwiązaniami fotowoltaicznymi dla klientów biznesowych mogą usprawnić procesy uzyskiwania zezwoleń od operatorów sieci energetycznych oraz dostarczać wysoce wydajne, zgodne z przepisami i trwałe przemysłowe rozwiązania energetyczne na terenie Niemiec.