Inversores e outros componentes de sistemas FV

Os sistemas fotovoltaicos de microgera¸c˜ao s˜ao pequenos sistemas, com potˆencia de at´e 100kW que englobam geralmente pequenas instala¸c˜oes residenciais e comerciais de baixo consumo de energia. J´a a minigera¸c˜ao ´e geralmente observada em com´ercios e industrias, que possuem potˆencia de gera¸c˜ao fotovoltaica entre 100kW at´e 1MW.

Os principais componentes de um conjunto fotovoltaico s˜ao os m´odulos FV e o inversor do qual ser´a abordado na pr´oxima se¸c˜ao. Os demais elementos necess´arios s˜ao conhecidos coletivamente como balance of system equipment (BoS) e frequentemente devem obedecer a regula¸c˜oes regionais e/ou nacionais dependendo de onde o conjunto fotovoltaico seja instalado (HANKINS, 2010). Os componentes principais que comp˜oem o BoS s˜ao listados abaixo:

• Cabeamento CC incluindo o cabeamento inter-array (cabeamento usado para conec- tar os v´arios m´odulos e strings juntos para formar um painel fotovoltaico), o cabo do gerador fotovoltaico para a caixa combinadora PV (se necess´ario) e o cabo da caixa combinadora fotovoltaica para o inversor.

• Combinador fotovoltaico, normalmente necess´ario apenas quando o gerador fotovol- taico tem mais de uma cadeia paralela e est´a localizado entre o gerador fotovoltaico e o inversor.

• Caixas de jun¸c˜ao do m´odulo localizadas na parte de tr´as de cada m´odulo; nessa caixa est˜ao os fios usados para conectar as c´elulas fotovoltaicas que formam o m´odulo. • Os dispositivos de prote¸c˜ao e desconex˜ao, como os disjuntores / seccionadores

principais CC e CA, s˜ao frequentemente exigidos por muitos padr˜oes e c´odigos locais. • Prote¸c˜ao contra raios e surtos.

• Medi¸c˜ao: o edif´ıcio ter´a um medidor de eletricidade usado para medir os fluxos de eletricidade dentro e fora da edifica¸c˜ao. Os instaladores podem incorporar esse medidor no novo sistema fotovoltaico ou instalar um novo medidor, dependendo se o medidor atual atende aos requisitos do sistema. Os medidores podem ser brutos ou l´ıquidos.

• Cabeamento CA conectando ao inversor ao medidor e o medidor `a rede el´etrica. • Aterramento / cabos de aterramento para o array.

• Monitoramento: a maioria dos sistemas fotovoltaicos incorpora algum tipo de moni- toramento para que o propriet´ario possa ver as sa´ıdas de seu sistema e quaisquer

problemas, como uma diminui¸c˜ao na produ¸c˜ao de energia, possam ser rapidamente identificados.

Neste trabalho ser´a dado foco `as caracter´ısticas dos inversores que comp˜oem o sistema fotovoltaico.

2.1.3.1 Inversores para a conex˜ao `a rede el´etrica

Os inversores utilizados em instala¸c˜oes fotovoltaicas, tˆem como fun¸c˜ao principal converter a corrente cont´ınua gerada nos m´odulos fotovoltaicos em corrente alternada, que pode ser ent˜ao tanto, consumida pelo usu´ario quanto enviada para a rede de distribui¸c˜ao.Nos sistemas autˆonomos os inversores CC-CA fornecem tens˜oes el´etricas alternadas em seus terminais. J´a nos sistemas conetados `a rede os inversores CC-CA funcionam como fonte de corrente e n˜ao tem a capacidade de fornecer tens˜ao para os consumidores. Este tipo de inversor funciona apenas quando a rede el´etrica estiver operando dentro de determinados n´ıveis de tens˜ao e frequˆencia. Todos os inversores conectados `a rede possuem as fun¸c˜oes b´asica descritas abaixo:

• Converter corrente cont´ınua do array FV em corrente alternada, a qual pode ser utilizada pelo usu´ario ou enviada para a rede de distribui¸c˜ao atrav´es do medidor de energia. Sem esse tipo de inversor ´e imposs´ıvel exportar a energia fotovoltaica gerada para a rede de distribui¸c˜ao.

• Garantir que a potˆencia alimentada para a rede de distribui¸c˜ao est´a dentro dos n´ıveis de tens˜ao e frequˆencia especificados pela concession´aria. Caso o inversor n˜ao seja capaz de converter a potˆencia CC para condizer com a frequˆencia e tens˜ao adequada da rede, o equipamento n˜ao deve transmitir energia para a rede.

• Utilizar o recurso de MPPT (rastreamento de ponto de potˆencia m´axima) para garantir que a m´axima potˆencia poss´ıvel est´a sendo extra´ıda do array fotovoltaico, para as atuais condi¸c˜oes de insola¸c˜ao e temperatura.

• O inversor tem sistemas de prote¸c˜ao embutidas, para garantir que o inversor se auto-desligue quando a rede de distribui¸c˜ao n˜ao est´a operando dentro dos n´ıveis tolerados de tens˜ao ou frequˆencia.

Os inversores conectados `a rede podem possuir algumas diferen¸cas as quais est˜ao relacionadas aos fatores abaixo:

• se o inversor possui ou n˜ao um transformador; • a frequˆencia de comuta¸c˜ao do inversor ;

• como o array FV e o inversor se conectam um com o outro; • se o inversor permite entrada de um ´unica ou m´ultiplas strings;

• se o inversor foi desenvolvido para alimenta¸c˜ao monof´asica ou trif´asica.

2.1.3.2 Rastreamento do ponto de m´axima potˆencia MPPT

Conforme abordado na Subsubse¸c˜ao 2.1.1.2 o MPPT (Maximum Power Point Tracking), ou rastreamento do ponto de m´axima potˆencia, tem a fun¸c˜ao de garantir que para todo instante de tempo a potˆencia entregue pelo conjunto de m´odulos fotovoltaicos seja m´axima levando-se em conta o n´ıvel de irradia¸c˜ao e temperatura do m´odulo a Figura 7 ilustra a rela¸c˜ao tens˜ao-potˆencia no MPPT.

Devido `as condi¸c˜oes de insola¸c˜ao e temperatura variarem aleatoriamente ao logo do dia, o prop´osito dessa fun¸c˜ao, nos inversores conectados `a rede, ´e encontrar uma tens˜ao ´

otima a ser aplicada pelo inversor nos terminal do conjunto. Essa tens˜ao proporcionar´a que os m´odulos entreguem a potˆencia m´axima poss´ıvel para as condi¸c˜oes de temperatura e insola¸c˜ao naquele momento.

O princ´ıpio de funcionamento do MPPT consiste em um algoritmo, alterando in- tencionalmente a tens˜ao terminais do conjunto fotovoltaico, e observando o comportamento da potˆencia fornecida pelo conjunto determina a tens˜ao ideal para a melhor eficiˆencia do equipamento. O algoritmo consiste em incrementar ou decrementar a tens˜ao em pequenos steps at´e que encontre um ponto de m´aximo na curva PxV o joelho da curva ilustrada na Figura 8.

Para os casos onde h´a sombreamento parcial de uma string conectada ao inversor o perfil da curva PxI apresenta outra forma, nesse tipo de situa¸c˜ao a curva PxI apresenta um m´aximo local e um global, e o algoritmo pode nesse caso situar o n´ıvel da tens˜ao em um m´ınimo local.

Uma estrat´egia para contornar esse problema ´e em casos onde o sombreamento ´e inevit´avel, na concep¸c˜ao do projeto, o projetista prefira que o sombreamento ocorra apenas sobre apenas uma sobre uma string do que parcialmente em v´arias (VILLALVA, 2013). Em conjunto com essa a¸c˜ao, o projeto deve contemplar inversores multi-strings (explicado em Subsubse¸c˜ao 2.1.3.4) dessa forma o inversor aplicar´a a tens˜ao ideal para a obten¸c˜ao

de m´axima potˆencia individualmente para cada uma das string conectadas no mesmo, eliminando a possibilidade do inversor trabalhar em um m´aximo local na curva PxV.

2.1.3.3 Inversores String

S˜ao utilizados em sistemas de pequeno porte que variam 1kWp ate 11kWp. Inversores desse tipo possuem apenas um rastreador de ponto de potˆencia (MPPT) e a tens˜ao CC entrada pode variar de extra baixa tens˜ao (ELV) at´e 1000 volts CC (baixa tens˜ao, LV). Esse tipo de inversor pode ser conectado em grande variedade de maneiras conforme as configura¸c˜oes est˜ao ilustradas nas figuras: Figura 12, Figura 13 e Figura 14.

Figura 12 – Inversor string conectado em apenas uma string de m´odulos fotovoltaicos.

Inversor String Quadro de distribuição Rede Inversor de String Quadro de distribuição Rede Inversor String

Fonte: Stapleton e Neill (2012)

Figura 13 – Esquema de inversor string com conex˜ao de m´ultiplas strings na mesma entrada do inversor Inversor String Quadro de distribuição Rede Inversor de String Quadro de distribuição Rede Inversor String

Cap´ıtulo 2. REVIS ˜AO DA LITERATURA 43

Figura 14 – Esquema de inversor string onde conex˜ao de diferentes strings ´e feita em inversores distintos. distribuição Inversor de Multi-String Rede Quadro de distribuição Inversor String Inversor String

Fonte: Stapleton e Neill (2012)

2.1.3.4 Inversores Multi-String

Um inversor multi-string ´e um dispositivo inversor com as mesmas fun¸c˜oes do modelo string, por´em mais entradas para MPPT. Portanto, um array fotovoltaico poderia ser dividido em m´ultiplas strings e uma combina¸c˜ao adequada dessas pode ser conectada entre as m´ultiplas entradas MPPT do inversor.

Esses inversores possuem a vantagem de que se alguns m´odulos no array estejam voltados para diferentes dire¸c˜oes. O conjunto como um todo pode ser dimensionado em strings, de modo que os m´odulos nessas strings estejam voltados para a mesma dire¸c˜ao. Essas strings podem portanto ser conectadas em uma ´unica entrada MPPT exclusiva. Logo o sistema como um todo ser´a capaz de fornecer mais energia do que se estivesse conectado em uma ´unica entrada MPPT do inversor. Usar um inversor multi-string geralmente ´e mais econˆomico do que usar inversores individuais e representa vantagens caso o perfil de insola¸c˜ao sobre os pain´eis no array apresentem valores diferentes ao longo do dia, seja pela dire¸c˜ao que o painel esteja voltado ou por sombreamento.

Figura 15 – Esquema de duas strings, cada uma conectada em uma entrada MPPT de um inversor multi-string. Rede Quadro de distribuição Inversor de Multi-String Rede Quadro de distribuição Inversor String Inversor String

Fonte: Stapleton e Neill (2012)

2.1.3.5 Inversor Modular

Inversores modulares (tamb´em conhecidos como micro-inversores) s˜ao pequenos inversores, desprovidos de transformadores (alguns desses possuem um transformador de isola¸c˜ao para minimizar a inje¸c˜ao de correntes CC), desenvolvidos para serem instalados na parte traseira dos m´odulos fotovoltaicos. As principais vantagens desse tipo de inversor ´

e a remo¸c˜ao dos cabos CC do array fotovoltaico, uma vez que cada m´odulo teria sua sa´ıda em corrente alternada, esses cabos podem ser ligados em paralelo entre os m´odulos para ent˜ao ser conectados na instala¸c˜ao el´etrica em algum ponto. Esses inversores s˜ao pequenos e de f´acil manuseio tendo a vantagem de serem modulares, assim como os pain´eis FV, portanto em caso de amplia¸c˜ao do sistema, a simples adi¸c˜ao de m´odulos com um inversor modular seria suficiente (STAPLETON; NEILL, 2012).

As desvantagens dos inversores modulares s˜ao relacionadas ao fato de os mesmos serem instalados na parte traseira do m´odulos fotovoltaicos. Caso o inversor falhe, arrumar ou substituir o mesmo envolve remover-lo do array o que pode ser dificultoso dado a sua localiza¸c˜ao. Localizados atr´as dos m´odulos FV esses inversores tamb´em est˜ao submetidos a altos n´ıveis de temperatura que podem levar `a redu¸c˜ao da vida ´util dos mesmos.

2.1.3.6 Sistemas de prote¸c˜ao em inversores

Inversores conectados `a rede el´etrica ir˜ao funcionar apenas quando a rede el´etrica estiver operando dentro dos limites permitidos de tens˜ao e frequˆencia determinados pela legisla¸c˜ao local. Se estas condi¸c˜oes de opera¸c˜ao n˜ao forem atingidas pela concession´aria, o

inversor ir´a se desligar e n˜ao fornecer´a nenhuma potˆencia pelo conjunto fotovoltaico. O inversor ´e configurado para imitar o comportamento da rede el´etrica. Inversores conectados `

a rede el´etrica ir˜ao tipicamente incorporar dois tipo de prote¸c˜ao: ativa e passiva. Ambas as formas de prote¸c˜ao desligam sob as circunstancias de sub/sobre tens˜ao ou sub/sobre frequˆencia. Isso visa proteger o inversor em condi¸c˜oes extremas bem como proteger a rede el´etrica e os trabalhadores que possam trabalhar na mesma em uma situa¸c˜ao de falta de energia.

2.1.3.7 Auto-Prote¸c˜ao

Inversores incorporam um conjunto de mecanismos de prote¸c˜oes para uma varie- dade de problemas que podem ocorrer na instala¸c˜ao (STAPLETON; NEILL, 2012).

• Conex˜ao errada: se um inversor estiver incorretamente conectado ao array fotovoltaico (polaridade invertida), o dispositivo n˜ao funcionar´a e poder´a ser danificado. Ainda que alguns inversores tenham prote¸c˜ao para conex˜oes invertidas, a garantia para a maioria dos inversores n˜ao cobre esse tipo de dano.

• Temperatura: inversores s˜ao sens´ıveis a varia¸c˜oes de temperatura e os fabricantes especificam o intervalo de temperatura adequada para equipamento operar. Alguns inversores reduzem a sa´ıda de potˆencia ou se auto-desligam quando a temperatura atinja valor acima do especificado pelo fabricante. Ainda que o inversor tenha prote¸c˜ao contra sobre-aquecimento, ´e importante que este esteja localizado em locais ventilados e com temperatura adequada para sua opera¸c˜ao.

• Alta tens˜ao CC: todos os inversores com conex˜ao na rede de energia ter˜ao especificados o intervalo de tens˜ao de entrada a qual este opera corretamente. Alguns inversores ao verificarem que a tens˜ao a qual est˜ao submetidos excede os limites especificados pelo fabricante, se auto-desligam para proteger seu circuito eletrˆonico, por´em isso n˜ao impede que o dano possa ocorrer. Alguns outros inversores n˜ao disp˜oem dessa prote¸c˜ao.

2.1.3.8 Detec¸c˜ao de Ilhamento

Inversores conectados `a rede el´etrica devem ser capazes de se desconectar da mesma, caso o fornecimento de energia seja interrompido ou a rede esteja operando fora dos limites de tens˜ao e frequˆencia pre-estabelecidos (sub/sobre tens˜ao ou sub/sobre

frequˆencia). Em ambos os casos o inversor se desconectar´a da rede el´etrica n˜ao fornecendo potˆencia quando a pr´opria rede n˜ao estiver operando adequadamente.

A prote¸c˜ao de anti-ilhamento, ´e exigida pelas normas que regem a conex˜ao de sistemas fotovoltaicos `a rede el´etrica. O desligamento deve ocorrer ainda que o sistema fotovoltaico em quest˜ao seja capaz de suprir a demanda de energia dos consumidos locais, de modo que hipoteticamente o sistema n˜ao consiga perceber a falta de energia el´etrica no sistema.

Esse recurso ´e necess´ario para assegurar a seguran¸ca dos operadores durante inter- ven¸c˜oes para manuten¸c˜ao da rede, e tamb´em para evitar acidentes quando a alimenta¸c˜ao da rede ´e reestabelecida. A norma ABNT NBR IEC 62116:2012, trata dos procedimentos de ensaio anti-ilhamento para inversores fotovoltaicos conectados `a rede (VILLALVA, 2013).

2.1.3.9 Chave de desconex˜ao de corrente cont´ınua

Este dispositivo ´e uma chave manual, que pode ser acionada pelo usu´ario para desconectar os m´odulos fotovoltaicos do circuito do inversor, garantindo seguran¸ca em opera¸c˜oes de manuten¸c˜ao do sistema el´etrico (VILLALVA, 2013).

2.1.3.10 Prote¸c˜ao contra fuga de corrente

Dispositivo situado no inversor o qual monitora a fuga de corrente cont´ınua do conjunto fotovoltaico e assegura que n˜ao h´a evas˜ao de corrente do conjunto para o terra. Caso isso ocorra, a corrente residual que flui para o terra sensibiliza o medidor localizado na entrada do equipamento, o qual atua desligando o sistema fotovoltaico da rede (VILLALVA, 2013).