M´ etodos passivos

Os m´etodos passivos s˜ao baseados no monitoramento de uma ou mais vari´aveis da rede el´etrica. Este monitoramento pode ser feito pelos geradores distribu´ıdos ou por algum dispositivo dedicado que esteja fora do SGD. As vari´aveis que podem ser utilizadas s˜ao: frequˆencia, magnitude da tens˜ao, ˆangulo de fase e alguma harmˆonica espec´ıfica ou a taxa de distor¸c˜ao harmˆonica (THD - Total harmonic distortion ou TDH).

Este tipo de m´etodo ´e considerado amig´avel `a rede de distribui¸c˜ao, pois n˜ao adi- ciona nenhum sinal que prejudica a qualidade de energia que est´a sendo injetada na rede el´etrica, al´em de suportar grandes concentra¸c˜oes de SGDs. Este m´etodo funciona bem para v´arias condi¸c˜oes, por´em se a potˆencia dos SGDs se igualar `a requerida pela carga, mantendo a rede el´etrica do PAC balanceada com a ausˆencia da rede principal, os m´eto- dos passivos ir˜ao falhar, gerando uma ilha n˜ao intencional. Sendo assim, s˜ao considerados insuficientes como prote¸c˜ao de anti-ilhamento por terem uma zona de n˜ao detec¸c˜ao rela- tivamente grande. A ZND para os m´etodos passivos ´e determinada com base na carga conectada ao PAC e pode ser definida analiticamente. A defini¸c˜ao anal´ıtica ´e apresentada na pr´oxima se¸c˜ao.

Caso o algoritmo de detec¸c˜ao identifique alguma mudan¸ca em algum desses parˆa- metros no PAC, o sistema de gera¸c˜ao ´e desconectado. Os principais m´etodos passivos s˜ao: detec¸c˜ao de sub/sobre tens˜ao, sub/sobre frequˆencia, detec¸c˜ao de salto no ˆangulo de fase e detec¸c˜ao de distor¸c˜ao harmˆonica [33, 38].

Detec¸c˜ao de sub/sobre tens˜ao e sub/sobre frequˆencia

A tens˜ao e frequˆencia s˜ao impostas pela rede el´etrica da concession´aria. Quando esta deixa de funcionar, os limites impostos pelas normas regulamentadoras de tens˜ao e frequˆencia podem ser violados, o que aciona os sistemas de prote¸c˜ao do inversor, inter- rompendo o fornecimento de potˆencia. Dependendo da carga no PAC, a frequˆencia de ressonˆancia da carga pode coincidir com a frequˆencia da rede el´etrica ou estar com va- lores muito pr´oximos. Em adi¸c˜ao, os valores da tens˜ao podem coincidir com os valores estipulados pela norma [3, 32].

Este cen´ario, onde a frequˆencia e magnitude da tens˜ao se mantˆem no momento do ilhamento, representa o pior caso - ∆P e ∆Q iguais a zero. Este tipo de condi¸c˜ao impede que o sistema detecte a falta da rede e o SGD continua com o fornecimento de potˆencia `a carga conectada no PAC. A literatura sugere que a probabilidade de estar na zona de n˜ao detec¸c˜ao ´e significativa em alguns casos [3, 32].

Os m´etodos Standard Protective Relays e Abnormal Voltage Detection possuem metodologias similares. A t´ecnica de prote¸c˜ao por sub/sobre frequˆencia (OUF) utiliza li- mites superior e inferior, cujos valores dependem da norma empregada no pa´ıs. O mesmo ocorre para os valores limites de tens˜ao [39, 40]. Esse tipo de m´etodo de prote¸c˜ao normal- mente ´e implementado via software. Caso ∆Q seja diferente de zero, a tens˜ao da carga mostrar´a mudan¸ca repentina na fase [4].

Os valores m´ınimos para ∆P e ∆Q de OUF ou OUV s˜ao determinados analitica- mente pelas equa¸c˜oes (3.6) e (3.7), definindo a ZND [4], onde Qf ´e o fator de qualidade,

fgrid ´e a frequˆencia da rede el´etrica, Vgrid ´e a tens˜ao da rede el´etrica e fmin e fmax s˜ao as

frequˆencias inferior e superior estipuladas pela norma do pa´ıs [41]. para OUF: Qf(1− ( fgrid fmin )2)≤ ∆Q PSGD ≤ Qf(1− ( fgrid fmax )2) (3.6) para OUV: (Vgrid Vmax )2− 1 ≤ ∆P PSGD ≤ (Vgrid Vmin )2)− 1 (3.7)

Detec¸c˜ao de salto no ˆangulo de fase - Phase jump detection (PJD)

Este m´etodo consiste na verifica¸c˜ao da diferen¸ca de fase entre a tens˜ao e a corrente de sa´ıda do inversor no PAC. A detec¸c˜ao do erro de fase ´e realizada no final de cada ciclo da tens˜ao da rede el´etrica, operando em malha aberta durante o restante do ciclo. Com o funcionamento normal da rede el´etrica, o sincronismo entre a corrente de sa´ıda e a tens˜ao ´e feito pelo phase-locked loop (PLL). Caso haja falha no fornecimento de energia pela rede el´etrica, ocorre uma mudan¸ca r´apida da fase da tens˜ao. Isso acontece pelo descasamento

da potˆencia reativa. A corrente ainda est´a seguindo a tens˜ao, que ´e regulada pela rede el´etrica, por´em a carga come¸ca a fornecer potˆencia reativa, o que causa a defasagem entre a corrente e tens˜ao. Quando a tens˜ao cruza o zero a fase ´e atualizada, permitindo a detec¸c˜ao do salto de fase pelo m´etodo. A mudan¸ca de fase acontece muito mais rapidamente do que a mudan¸ca da frequˆencia, o que permite a implementa¸c˜ao de t´ecnicas mais r´apidas de detec¸c˜ao de ilhamento [4]. A Figura 3.3 ilustra a detec¸c˜ao de salto no ˆangulo de fase.

O m´etodo ´e de f´acil implementa¸c˜ao. Como o sistema j´a inclui o bloco de PLL, o sistema precisa se desconectar da rede el´etrica quando o ˆangulo de fase sair dos limites pr´e estabelecidos. Assim, os limites de defasagem precisam de ser ajustados para que o m´etodo seja eficaz e a ZND seja reduzida ao m´aximo poss´ıvel.

A eficiˆencia dessa t´ecnica n˜ao ´e prejudicada para os casos em que existem pa- ralelismo de v´arios SGDs. Al´em de n˜ao afetar a qualidade da energia interna da ilha e n˜ao interferir na dinˆamica do sistema. Este m´etodo possui algumas desvantagens. Caso a carga seja resistiva, n˜ao haver´a desvio de fase dentro da ilha, impedindo a a¸c˜ao do m´etodo. Com isso, essa t´ecnica ´e dependente da carga conectada ao barramento. Outra desvanta- gem refere-se `a determina¸c˜ao dos valores limites de ˆangulo de fase que consigam detectar o ilhamento de forma a evitar desconex˜oes por causa de transientes na tens˜ao [33].

Estes transientes podem ser provocados pela partida de cargas como motores, cargas reativas chaveadas, motores de indu¸c˜ao, etc. Outro problema que impede que esse m´etodo seja suficiente, ´e a inclus˜ao no sistema de PLLs r´apidos que tornam o sincronismo mais robusto. O pulo de fase se torna irris´orio visto que o PLL sincroniza a corrente com a tens˜ao depois que o ilhamento ocorre, minimizando a defasagem da fase. Este problema pode ser corrigido com o uso de PLLs lentos em conjunto com PLLs r´apidos. Entretanto, a escolha dos limites do ˆangulo de fase ´e ainda muito dif´ıcil de ser feita, tornando o m´etodo menos confi´avel. Como todos os m´etodos passivos, a zona de n˜ao detec¸c˜ao n˜ao ´e zero.

Detec¸c˜ao de distor¸c˜ao harmˆonica

Este m´etodo monitora a taxa de distor¸c˜ao harmˆonica (TDH) da tens˜ao no PAC e caso o valor ultrapasse o limite pr´e-estabelecido, o inversor se desconecta da rede el´etrica. Com o funcionamento adequado da rede el´etrica, a sua impedˆancia ´e muito baixa e a intera¸c˜ao das correntes harmˆonicas com a impedˆancia da rede el´etrica causa pequenas distor¸c˜oes na tens˜ao no ponto de conex˜ao do inversor. Todavia, quando o sistema est´a ilhado, a impedˆancia vista pelo inversor ´e muito maior, fazendo com que a distor¸c˜ao da tens˜ao aumente acima dos limites de TDH estabelecidos, o que permite a t´ecnica detectar condi¸c˜oes de ilhamento [33].

Duas formas de implementa¸c˜ao desse m´etodo s˜ao poss´ıveis. A primeira consiste na distor¸c˜ao harmˆonica esperada da rede el´etrica. A segunda monitora a distor¸c˜ao que pode ser produzida por uma harmˆonica espec´ıfica pela carga local. Se a TDH estiver fora desses dois parˆametros significa que o sistema est´a isolado. As harmˆonicas mais importantes que

Figura 3.3: Erro de fase usado na detec¸c˜ao de salto no ˆangulo de fase. Fonte: [3].

podem ser monitoradas s˜ao: terceira, quinta, s´etima, nona e d´ecima primeria. A TDH da tens˜ao tamb´em pode ser uma indicadora de ilhamento.

Os limites para a TDH s˜ao dif´ıceis de serem escolhidos pois dependem de v´a- rios fatores. O inversor ´e modelado para ser uma fonte ideal de corrente, por´em produz harmˆonicas que s˜ao causadas pela comuta¸c˜ao das chaves (harmˆonicas de alta ordem), tempo-morto e a queda de tens˜ao nos semicondutores (harmˆonicos pares) ou ondula¸c˜ao da tens˜ao do link CC (harmˆonicos ´ımpares). Esta distor¸c˜ao n˜ao pode ser superior a 5% pela norma IEEE 1574. Sendo assim, a TDH pode ser reduzida com o uso de filtros im- plementados por meio de hardware ou mecanismos de compensa¸c˜ao colocados dentro do algoritmo de controle.

Outro fator trata de cargas com alto fator de qualidade com fortes caracter´ısticas de filtro passa baixas, que impedem a detec¸c˜ao de condi¸c˜oes de ilhamento pelo m´etodo. Caso a energia proveniente do inversor seja de alta qualidade, com baix´ıssima distor¸c˜ao harmˆonica, o m´etodo tamb´em poder´a falhar [42]. Este m´etodo requer alto esfor¸co compu- tacional para a realiza¸c˜ao da avalia¸c˜ao das harmˆonicas e o c´alculo da TDH.

Outra desvantagem trata de cargas n˜ao lineares, que originam correntes com ele- vado conte´udo harmˆonico, causando falsas detec¸c˜oes de ilhamento. Esta t´ecnica ´e o ´unica que consegue reduzir a ZND a zero, pois n˜ao depende do descasamento da potˆencia ativa e reativa produzida pelo sistema fotovoltaico e requerida pela carga conectada ao PAC. Por´em, se os limites forem mal ajustados, a ZND pode ser bem larga [4].