Làm thế nào để quản lý giới hạn 'Mất cân bằng ba pha' trong các hệ thống công nghiệp tuân thủ tiêu chuẩn Đức VDE-AR-N 4105?

Tiêu chuẩn lưới điện áp thấp của Đức: VDE-AR-N 4105

Đức là nơi có một trong những mạng lưới điện tinh vi và được quy định nghiêm ngặt nhất thế giới. Khi quốc gia này đẩy mạnh quá trình Energiewende (chuyển dịch năng lượng), việc tích hợp điện mặt trời phân tán vào lưới điện áp thấp cần được quản lý cẩn trọng nhằm đảm bảo an toàn và độ tin cậy của hệ thống. Tiêu chuẩn kỹ thuật nền tảng điều chỉnh việc kết nối này là tiêu chuẩn VDE-AR-N 4105, có tên tiếng Anh là Generators Connected to the Low-Voltage Distribution Network (Các máy phát điện kết nối với lưới phân phối điện áp thấp). Tiêu chuẩn này thiết lập các quy định nghiêm ngặt về chất lượng điện, hỗ trợ lưới điện và hành vi an toàn mà mọi hệ thống phát điện đều phải tuân thủ. Đối với các quản lý nhà máy công nghiệp, kỹ sư điện và nhà phát triển năng lượng mặt trời B2B tại Đức, việc kiểm soát sự mất cân bằng ba pha (còn gọi là Schieflast) là một trong những yêu cầu tuân thủ quan trọng nhất theo tiêu chuẩn VDE-AR-N 4105. Việc không duy trì trạng thái cân bằng cho hệ thống có thể dẫn đến việc các đơn vị vận hành hệ thống phân phối địa phương (DSO) từ chối kết nối hoặc ngắt kết nối với lưới điện ngay lập tức.

Hướng dẫn này giải thích khái niệm mất cân bằng ba pha là gì, lý do tiêu chuẩn VDE-AR-N 4105 giới hạn hiện tượng này và cách quản lý, cấu hình thành công các hệ thống điện mặt trời công nghiệp của bạn bằng các bộ nghịch lưu JYINS tiên tiến và bộ điều khiển thông minh.

Phân tích hiện tượng mất cân bằng ba pha (Schieflast)

Trong một mạng điện xoay chiều (AC) ba pha cân bằng, dạng sóng điện áp và dòng điện của cả ba pha (L1, L2 và L3) có biên độ bằng nhau và lệch pha nhau đúng 120 độ điện. Hiện tượng mất cân bằng ba pha xảy ra khi tải điện hoặc công suất phát điện không được phân bố đều trên ba pha.

Tại sao các đơn vị vận hành lưới điện giới hạn hiện tượng mất cân bằng:

• Hiện tượng quá nhiệt máy biến áp: Dòng điện không bằng nhau trên các pha tạo ra dòng điện trung tính chảy ngược về máy biến áp của đơn vị cung cấp điện. Dòng điện này gây quá nhiệt ở cuộn dây trung tính của máy biến áp, làm giảm tuổi thọ và có thể dẫn đến hỏng hóc sớm.
• Biến dạng điện áp: Dòng điện cao trên một pha gây ra sụt áp cục bộ trên pha đó, trong khi các pha còn lại chịu hiện tượng tăng điện áp. Sự chênh lệch điện áp này có thể làm hư hại động cơ công nghiệp ba pha và các thiết bị điện nhạy cảm.
• Ngắt mạch do sự cố chạm đất: Mức mất cân bằng nghiêm trọng có thể kích hoạt rơ-le bảo vệ chạm đất hoặc quá dòng trung tính tại các trạm biến áp địa phương, dẫn đến mất điện cục bộ.

Để ngăn ngừa các vấn đề nêu trên, tiêu chuẩn VDE-AR-N 4105 quy định mức chênh lệch công suất tác dụng tối đa cho phép giữa hai pha bất kỳ không được vượt quá 4,6 kVA. Giới hạn này áp dụng tại điểm đấu nối chung (PCC), nơi cơ sở công nghiệp kết nối với lưới điện công cộng. Dù sự mất cân bằng phát sinh từ tải tiêu thụ một pha hay từ việc phát điện quang điện (PV) một pha không đồng đều, thì tổng mức mất cân bằng ròng vẫn phải duy trì dưới ngưỡng 4,6 kVA này.

Các chiến lược giảm thiểu tình trạng mất cân bằng pha trong các hệ thống công nghiệp

Quản lý sự mất cân bằng pha trong các cơ sở công nghiệp quy mô lớn đòi hỏi sự kết hợp giữa thiết kế chiến lược, phân bổ tải cân bằng và lựa chọn bộ biến tần thông minh:

• Sử dụng bộ biến tần dây chuyền ba pha: Cách đơn giản và hiệu quả nhất để ngăn ngừa sự mất cân bằng do phát điện gây ra là sử dụng bộ biến tần dây chuyền ba pha chuyên dụng, chẳng hạn như dòng thương mại JYINS. Một bộ biến tần ba pha tự động cân bằng công suất đầu ra, đưa vào các pha L1, L2 và L3 lượng công suất tác dụng bằng nhau. Vì công suất được phân bố đối xứng nên bản thân bộ biến tần không góp phần gây ra sự mất cân bằng pha tại cơ sở.
• Phân bổ Bộ biến tần Một pha Đối xứng: Trong các hệ thống nhỏ hơn, nơi bắt buộc phải sử dụng bộ biến tần một pha, chúng phải được lắp đặt theo nhóm ba chiếc. Bằng cách kết nối các bộ biến tần một pha có công suất bằng nhau vào L1, L2 và L3, tổng công suất phát điện vẫn được giữ cân bằng. Tuy nhiên, nếu một bộ biến tần ngừng hoạt động do sự cố, hệ thống sẽ ngay lập tức gặp tình trạng mất cân bằng. Để tuân thủ tiêu chuẩn VDE-AR-N 4105, các bộ biến tần này phải được kết nối với nhau qua hệ thống truyền thông sao cho khi một thiết bị ngắt hoạt động, hai thiết bị còn lại tự động giảm công suất nhằm duy trì mức mất cân bằng dưới 4,6 kVA.
• Cân bằng pha cho tải công nghiệp: Các cơ sở công nghiệp chứa rất nhiều thiết bị văn phòng, hệ thống chiếu sáng và máy móc chuyên dụng hoạt động một pha. Kỹ sư điện phải kiểm toán cơ sở và phân bổ các tải này càng đều trên ba pha càng tốt. Việc thiết kế tải đối xứng từ giai đoạn đầu giúp giảm thiểu mức mất cân bằng nền mà hệ thống năng lượng mặt trời phải tương tác.

Vai trò của Bộ biến tần JYINS và Đồng hồ đo thông minh bên ngoài

Mặc dù bộ nghịch lưu ba pha giải quyết tình trạng mất cân bằng phát điện, nhưng thực tế mức độ mất cân bằng tại điểm đấu nối vào lưới điện lại là kết quả tổng hợp của cả phát điện và tiêu thụ. Nếu một cơ sở công nghiệp có tải mất cân bằng, ngay cả bộ nghịch lưu mặt trời ba pha đối xứng cũng không thể khắc phục được tình trạng này nếu thiếu điều khiển thông minh.

Để giải quyết vấn đề này, các bộ nghịch lưu lai ba pha hiện đại của JYINS hỗ trợ bù pha động và tích hợp với đồng hồ thông minh bên ngoài:

• Giám sát thời gian thực: Một đồng hồ thông minh độ chính xác cao (ví dụ như đồng hồ Janitza hoặc đồng hồ JYINS đạt chuẩn VDE) được lắp đặt tại điểm đấu nối chính vào lưới điện. Đồng hồ này liên tục giám sát dòng điện và công suất tác dụng trên các pha L1, L2 và L3, với tần suất lấy mẫu nhiều lần mỗi giây.
• Phân bổ Công suất Động (Điều khiển Độc lập theo Pha): Các bộ biến tần ba pha tiêu chuẩn phải xuất ra công suất bằng nhau trên tất cả các pha. Tuy nhiên, các bộ biến tần lai tiên tiến của JYINS được trang bị khả năng điều khiển công suất độc lập theo từng pha. Nếu đồng hồ thông minh phát hiện pha L1 đang nhập 5 kW, trong khi L2 và L3 cân bằng, bộ biến tần JYINS có thể điều chỉnh việc chuyển mạch nội bộ để đưa thêm công suất vào L1 đồng thời giảm đầu ra trên L2 và L3. Việc bù pha chủ động này cân bằng động luồng công suất ròng tại đồng hồ điện lưới.
• Tích hợp Lưu trữ Pin: Trong các giai đoạn tải mất cân bằng nghiêm trọng, bộ biến tần lai JYINS có thể lấy năng lượng từ cụm pin để cấp cho các pha chịu tải nặng nhất, giúp duy trì mức mất cân bằng công suất ròng trên lưới dưới ngưỡng giới hạn 4,6 kVA theo tiêu chuẩn VDE-AR-N 4105.

Hiệu chỉnh và Tài liệu hóa cho Các Công ty Điện lực Đức

Trước khi một cơ sở năng lượng mặt trời thương mại được cấp phép vận hành tại Đức, đơn vị phân phối điện địa phương (DSO) (ví dụ như Westnetz, Netze BW hoặc Bayernwerk) sẽ tiến hành đánh giá kỹ lưỡng về khả năng tương thích với lưới điện. Các nhà phát triển phải cung cấp tài liệu rõ ràng chứng minh việc tuân thủ tiêu chuẩn VDE-AR-N 4105:

• Giấy chứng nhận phù hợp (Einheitenzertifikat): Tài liệu này chứng minh rằng bộ biến tần JYINS đã được kiểm tra và cấp chứng nhận bởi một tổ chức kiểm định châu Âu được công nhận, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của tiêu chuẩn VDE-AR-N 4105.
• Sơ đồ điện: Sơ đồ chi tiết thể hiện các kết nối ba pha, rơ-le an toàn và vị trí của đồng hồ thông minh bên ngoài.
• Nhật ký cấu hình: Nhật ký in ra từ phần mềm đưa bộ biến tần vào vận hành, cho thấy hồ sơ lưới điện Đức đã được chọn, bù pha chủ động đã được kích hoạt và các tham số truyền thông dự phòng đang hoạt động đầy đủ.

Bằng cách hợp tác với JYINS và lựa chọn các bộ biến tần ba pha hiệu suất cao, đã được chứng nhận đầy đủ và các hệ thống lưu trữ năng lượng lai của chúng tôi, các nhà phân phối năng lượng mặt trời B2B và các nhà thầu EPC có thể đơn giản hóa quy trình phê duyệt của cơ quan điện lực và cung cấp các giải pháp năng lượng công nghiệp hiệu quả cao, tuân thủ quy định và bền bỉ trên toàn nước Đức.