Perdas nos Inversores

O inversor é o equipamento que recebe dos painéis fotovoltaicos, após a transformação da energia solar em elétrica, uma energia de corrente contínua (CC) e tem por finalidade convertê-la em energia de corrente alternada (CA), concedendo-a para a alimentação das cargas. Sua simbologia pode ser representada de acordo com a figura 28 abaixo.

Figura 28: Simbologia elétrica do inversor Fonte: Casaro e Martins, 2010.

O inversor em um SFCR é o ponto que interliga os módulos FV à rede elétrica, em outras palavras, é através dele que o fluxo de potência é transmitido para a rede. Por esta razão as ondas de tensão da saída do inversor em CA devem se adequar à rede, estando na mesma fase e possuindo características semelhantes às ondas da rede, de modo a permitir o paralelismo de geradores (URBANETZ, 2010). Podem ser divididos em dois grupos:

• Comutados pela rede elétrica (comutação natural), o inversor sincroniza o sinal tendo por referência o sinal da rede;

• Auto-comutados (comutação forçada), o sinal é sincronizado aos parâmetros da rede através de um circuito eletrônico.

Os inversorem mais atuais possuem uma função, dentre várias, de busca do ponto de máxima potência (MPP - Maximum Power Point) do gerador FV, que é o ponto onde a potência fotogerada nos painéis, produto tensão x corrente, apresenta seu máximo valor que varia constantemente devido às mudanças de temperatura e de irradiância. Logo, sistemas que buscam operar no MPP apresentam melhoras em seu desempenho, por ter a tensão de operação do arranjo fotovoltaico controlada (URBANETZ, 2010) (RÜTHER, 2004).

Outra função do inversor FV é que ele deve reconhecer os níveis de corrente, tensão e frequência aceitáveis para serem injetadas na rede e, também deve isolar o gerador FV da rede

de distribuição quando esta não estiver energizada, a fim de evitar a condição de ilhamento por motivos de segurança (PEREIRA; GONÇALVES, 2008).

Os componentes semicondutores constituem as chaves eletrônicas controláveis, que atuam nos inversores e realizam a conversão CC/CA, pois atuam bloqueando e conduzindo o sinal de tempo em tempo produzindo ondas alternadas, como mostrado na figura 29, e através de técnicas de PWM (Pulse Width Modulation) são moduladas (PINHO e GALDINO, 2014).

De acordo com a figura 29, notam-se três estados devido ao chaveamento dos semicondutores: Bloqueio, comutação e condução. As perdas no inversor acontecem nos estados de comutação e condução. A total dissipação de energia é demonstrada pela área mais escura do gráfico (PINHO e GALDINO, 2014).

Figura 29: (a) Forma da onda de tensão (V) e de corrente (I) referente ao sistema de chaveamento dos semicondutores no inversor; (b) Potência dissipada no dispositivo semicondutor na fase de chaveamento e de condução.

Fonte: Pinho e Galdino, 2014.

No estado de comutação (t = t1), o comando para o dispositivo iniciar a condução faz com que a corrente se eleve até seu valor máximo (t = t2) onde a tensão se reduzirá ao seu valor mínimo (t = t3), nessa etapa devido à potência resultante do dispositivo (V x I) ocorrem as perdas por comutação. A partir do instante (t = t4) acontece a sequência inversa que, também, apresentará essas perdas (PINHO e GALDINO, 2014).

No estado de condução (t3 < t < t4) o resultado da V x I neste período também ocasionarão perdas, mesmo que inferiores quando comparadas ao estado de comutação (PINHO e GALDINO, 2014).

A eficiência de um inversor depende diretamente das perdas em condução e comutação. Por este motivo, é importante que estudos e pesquisas sejam realizados a fim de se obter uma maior compreensão sobre o assunto, para determinar a melhor tecnologia a ser enquadrada em um sistema fotovoltaico.

O sinal de saída convertido, através dos semicondutores chaveados, é constituído por fortes componentes harmônicas e são necessários processos de filtragem de sinal com a utilização de indutores e capacitores para obtenção de uma onda senoidal pura. Porém, esses processos promovem perdas e redução de eficiência do inversor (ALMEIDA, 2012).

Outros fatores que acarretam perdas correlacionadas aos inversores são as topologias tanto quanto à configuração de seu circuito eletrônico, quanto à combinação dos módulos aos inversores. A eficiência, ainda que consideravelmente alta (>94%), não disponibilizará um rendimento excelente quando a operaração for abaixo da potência nominal do inversor.

Na figura 30, é possível observar a eficiência vs carregamento. Carregamento é a relação entre a potência na saída do inversor e sua potência nominal, ambas em corrente alternada (eq. 2) e, rendimento é a relação entre a potência na saída do inversor em CA e a potência na entrada em CC (eq. 3). Ambas as relações também podem ser definidas em termos de energia (ALMEIDA, 2012).

P = ,12í42

,5678529 (2)

η = ,;2(12í42)

,;;(=5>?242) (3)

Figura 30: Curva eficiência vs carregamento em um inversor genérico. Fonte: Almeida, 2012.

Um aumento de 1% na eficiência do inversor pode acarretar uma elevação de 10% de energia gerada em um período anual (FSEC, 1997).

A combinação dos módulos fotovoltaicos com as topologias de inversores são enquadradas em quatro tipos de configurações, mostradas nas figuras 31a, 31b, 31c e 31d (CASARO e MARTINS, 2010; URBANETZ, 2010).

Na figura 31a é representada a configuração do inversor centralizado, onde vários módulos conectados em série formam fileiras que, por sua vez, são dispostas em paralelo e interligadas a um mesmo inversor. As grandes vantagens desta forma de configuração é o custo reduzido e a simplicidade da estrutura.

A figura 31b mostra a configuração do inversor por string, em que cada fileira contendo módulos em série é conectada a um inversor. Nessa configuração as perdas são mitigadas e a eficiência é elevada, pois o MPP da configuração série é reconhecido, não havendo, portanto, as perdas por mismatch (descasamento). Porém, esse modelo apresenta a desvantagem de necessitar de mais inversores de menor potência, aumentando os custos por kWp instalado.

A figura 31c representa a configuração do inversor multi-string, ou seja, os módulos são agregados em diferentes grupos com modos de instalação diferentes permitindo assim uma maior flexibilidade para a busca do MPP.

Na figura 31d são representados inversores assimilados aos módulos FV, sendo assim, cada módulo irá se interligar com um inversor que terá por objetivo trabalhar com o MPP de seu módulo associado. O alto custo e o acoplamento particular entre módulos e inversores, ambos com vidas úteis incompatíveis, são as principais desvantagens dessa configuração.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 31: a) inversor centralizado; b) inversor por string (configuração CA paralelo); c) inversor

multi-string (configuração CC paralelo); d) inversores assimilados aos respectivos módulos FV.

Fonte: Casaro e Martins, 2010; Urbanetz, 2010.

Os inversores podem possuir ou não transformadores para isolamento galvânico entre os lados CC e CA. Porém, esse é um tópico muito estudado e controverso, devido à maneira negativa em que o desempenho do sistema é afetado, além dos custos que tendem a ser maiores. Os transformadores podem atuar tanto em baixa quanto em alta frequência e podem ser

localizados nos lados de entrada ou pré-conversão CC (alta frequência/ High frequency) ou de saída CA (frequência da rede ou baixa frequência/ Low frequency).

No mercado, os transformadores de baixa frequência, geralmente transformadores toroidais, são mais usuais porém mais pesados e robustos quando comparados aos transformadores de alta frequência, que tendem a ser mais compactos e leves (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Porém, os dois transformadores provocam perdas no sistema, o de baixa frequência limita o controle da corrente injetada e reduz o fator de potência da rede, por ser uma carga de característica reativa.

Por outro lado, a configuração de inversores sem transformador é, atualmente, a mais eficiente, simples e de baixo custo tendo em vista que a isolação não é necessária entre os lados CC/CA. Contudo, apresenta o problema de correntes de fuga que surgem entre os polos do gerador FV e o neutro da rede e o de capacitâncias parasitas entre o gerador FV e a terra (ALMEIDA, 2012).

As figuras 32, 33, 34 e 35 mostram as diversas topologias do circuito eletrônico considerando-se ou não a presença de um transformador (URBANETZ, 2014d).

Figura 32:Inversor com transformador de baixa frequência. Fonte: Urbanetz, 2014d.

Figura 33: Inversor com transformador de alta frequência. Fonte: Urbanetz, 2014d.

Figura 34: Inversor sem transformador. Fonte: Urbanetz, 2014d.

Figura 35: Multi-string. Fonte: Urbanetz, 2014d.

As tecnologias permitiram o desenvolvimento dos chamados módulos CA, que apresentam microinversores já incorporados. Em outras palavras, o módulo CA já disponibiliza a energia em corrente alternada, diminuindo os custos para dimensionamento condutores e conectores, visto que não há necessidade de dimensionar cabos para entregar energia em corrente continua até um inversor externo. Porém, a eficiência de conversão dos microinversores nos módulos CA é relativamente baixa (<90%) em comparação aos inversores centralizados (~95%). No caso, estudos apontam que esse tipo de módulo é economicamente viável caso a instalação seja de pequeno porte (RÜTHER,2004).