CONEXÃO DE SISTEMAS DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA À REDE ELÉTRICA

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CONEXÃO DE SISTEMAS DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA À REDE ELÉTRICA

WALTER ISSAMU SUEMITSU Dr. Ing.

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INTRODUÇÃO

NORMAS E REGULAÇÕES

INVERSORES

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Para atender as elevadas taxas de crescimento da demanda de energia elétrica, o Brasil terá que se valer de todas as

formas de geração de energia elétrica disponíveis.

Para contornar as questões sociais e ambientais, é muito provável que, em futuro não muito distante, a participação de fontes renováveis de baixo impacto tais como energia

eólica, solar, biomassa, das ondas, etc., passe a ter um papel importante no modelo de expansão do sistema de energia elétrica brasileiro.

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A geração fotovoltaica tem crescido no mundo nos últimos anos, principalmente em países como a Alemanha, o Japão e a

Espanha.

Segundo o relatório Estado Global das Renováveis 2012,

produzido pela REN21 (Renewable Energy Policy Network for 21st Century), perto de 30 GW foram adicionados à capacidade instalada mundial em 2011 (comparado com apenas 17 GW em 2010), aumentando o total global para 70 GW (98% do total para sistemas conectados à rede).

A capacidade de energia elétrica instalada no Brasil em 2011 era de 117 GW.

Com um total de 51GW até o fim do ano passado, a Europa responde por quase 75% da capacidade instalada total do mundo, segundo o estudo.

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Dados da Associação de Indústrias Fotovoltaicas Européias (EPIA, na sigla em inglês) mostram que, considerando os sistemas conectados a rede e os isolados, a produção de eletricidade solar foi de cerca de 85 TWh em 2011.

A produção de energia elétrica no Brasil em 2011 foi de 472 TWh.

Mais de 25% da capacidade PV global está em usinas de larga escala (aquelas maiores que 200 kW) que

ultrapassaram 5.000 unidades em 2010.

A maioria delas está na Espanha, Alemanha e Estados Unidos, apesar de começarem a se espalhar por outros países.

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Os Sistemas de Geração Fotovoltaica, de ora em diante denominados Sistemas Fotovoltaicos,

podem ser:

Domésticos Autônomos ou Isolados

Não Domésticos Isolados

Distribuídos Conectados à Rede Elétrica

Concentrados Conectados à Rede Elétrica

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Sistema Doméstico Isolado

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Esquema de um Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede Elétrica

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Inversor CC/CA

Medidor de energia

Fluxo de Energia

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Componentes para um Sistema Fotovoltaico Isolado:

Painel (ou módulo) fotovoltaico

Baterias

Controlador de carga

Inversor off grid (Conversor CC-CA)

Proteções básicas

Não há preocupação com a qualidade da energia elétrica – a forma de onda da tensão de saída do

inversor pode ser quadrada, semi senoidal ou senoidal

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(Fonte: IEA-PVPS, 2006.)

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Componentes para um Sistema Fotovoltaico Distribuído conectado à rede elétrica:

Painel fotovoltaico

Controlador de carga

Inversor

Proteções específicas

A qualidade da energia elétrica é importante – a tensão de saída do inversor deve ser senoidal

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Componentes para um Sistema Fotovoltaico Concentrado Conectado à Rede Elétrica – são os mesmos de um Sistema Distribuído

No entanto, como em geral os Sistemas

Fotovoltaicos Concentrados estão localizados em locais distantes dos centros de consumo, há a

necessidade dos sistemas de distribuição e transmissão

É preciso também mais cuidados em relação aos efeitos da geração fotovoltaica na rede elétrica

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Usina Fotovoltaica de Tauá

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As questões relacionadas à conexão de sistemas fotovoltaicos à rede elétrica podem ser dividas em aspectos técnicos e aspectos de normas e regulações

Em relação às normas e regulações, a geração fotovoltaica está submetida às resoluções sobre geração distribuída e geração elétrica convencional

Com a expansão do sistema de geração de energia a partir da interconexão da GD com a rede elétrica faz-se necessário o estabelecimento de um conjunto de padrões e normas técnicas que favoreça a manutenção da qualidade de energia e da confiabilidade da rede.

Outro ponto importante é a garantia de proteção e segurança do sistema elétrico e dos seus operadores.

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As normas técnicas voltadas para conexão da GD com a rede elétrica trazem diversos benefícios tanto para as

concessionárias quanto para os autoprodutores de pequeno e médio porte.

Tais documentos abordam requisitos mínimos que a planta de geração e seus componentes devem seguir, visando à

segurança e confiabilidade da geração.

São diversos os parâmetros elétricos analisados, como faixa de variação da tensão e frequência, níveis máximos de

harmônicos de tensão e corrente, fator de potência (suporte de reativos), flicker, sistemas de proteção e ilhamento.

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A regulamentação do acesso ao sistema de distribuição de energia elétrica no Brasil é feito através do PRODIST,

elaborado pela ANEEL, visando garantir uma maior confiabilidade, eficiência, qualidade e segurança dos sistemas de distribuição de energia elétrica.

Além do PRODIST, existem projetos de normas em fase de discussão, como o Sistemas Fotovoltaicos (FV) -

Características dos Inversores para Conexão à Rede Elétrica de Distribuição (PN 03:082.01-001) e o Procedimento de

Ensaio Anti Ilhamento para Inversores de Sistemas

Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR - PN 03:082.01- 002).

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Essas normas estão em processo de formação junto ao comitê 003 (Eletricidade) da Associação Brasileira de Normas e Técnicas(ABNT).

Em 2011 ocorreu a audiência publica 042/2011 da ANEEL com o objetivo de obter contribuições à minuta de

Resolução Normativa que busca reduzir as barreiras para a instalação de micro e minigeração distribuída incentivada e alterar o desconto na TUSD e TUST para usinas com fonte solar onde foram propostas algumas modificações no

PRODIST.

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O módulo 8 do PRODIST tem por objetivo definir os

procedimentos referentes à qualidade da energia elétrica e do serviço prestado.

Em 2011 foi realizada um audiência pública a partir da qual foi gerada a quarta revisão deste módulo do PRODIST, que entrou em vigência a partir de fevereiro de 2012, estabelecendo níveis individuais de distorção harmônica na tensão.

Os valores e parâmetros referenciados neste módulo são relativos à conformidade da tensão e as perturbações nas formas de onda, como por exemplo, níveis nominais de tensão, fator de potência, distorção harmônica e variações na frequência.

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Tabela 1: Pontos de conexão em Tensão Nominal igual ou inferior a 1 kV (220 V/ 127 V). Fonte [1].

Tensão de atendimento (TA)

Tensão de leitura (TL) em relação

à tensão nominal

Adequada 201≤TL≤231

116≤TL≤133

Precária 189≤TL≤201 ou 231≤TL≤233

109≤TL≤116 ou 133≤TL≤140

Crítica TL<189 ou TL>233

TL<109 ou TL>140

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Outros parâmetros analisados neste módulo são o fator de potência e a distorção harmônica. Para sistemas conectados em um ponto de tensão inferior a 230 kV, o fator de

potência deve ser maior que 0,92 (adiantado ou atrasado).

Os limites aceitáveis para variação da frequência devem permanecer entre 59,9 Hz e 60,1 Hz. Esses limites devem ser garantidos pelo sistema de distribuição e pelas plantas de geração.

Na presença de oscilação na frequência fora dos limites aceitáveis, a GD deve se desconectar da rede caso o

distúrbio perdure acima dos valores recomendados.

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Tabela 2: Limite de tempo de operação em condições anormais de frequência.

f > 66 Desconectar

63,5 < f ≤ 66 10 s

62 < f ≤ 63,5 30 s

59,5 ≤ f ≤ 60,5 Até a recuperação para as condições nominais

58,5 ≤ f < 59,5 30 s

57,5 ≤ f < 58,5 10 s

56,5 ≤ f < 57,5 5 s

f < 56,5 Desconectar

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Estão em andamento projetos de normas da ABNT

relacionados com a GD e a conexão de inversores na rede elétrica, como “Sistemas Fotovoltaicos (FV) -

Características dos Inversores para Conexão à Rede Elétrica de Distribuição” e “Procedimento de Ensaio Anti Ilhamento para Inversores de SFCR”.

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O projeto de norma “Sistemas Fotovoltaicos (FV) -

Características dos Inversores para Conexão á Rede Elétrica de Distribuição” tem aplicação em sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica.

Este documento é baseado na norma internacional IEC

61727 – PV Systems – Characteristics of the Utility Interface, adotada por diversos países.

Entretanto, há a necessidade de adaptação de alguns requisitos aos níveis operacionais do sistema elétrico brasileiro e ao PRODIST. Como exemplo, o fator de potência, os níveis de tensão e frequência, e proteção contra valores divergentes da frequência.

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O projeto de norma “Procedimento de Ensaio Anti-Ilhamento para Inversores de SFCR” (PN 03:082.01-002), tem sua origem na norma internacional do IEC, a IEC 62116 – Test Procedure of

Islanding Prevention Measures for Utility-interconnected Photovoltaic Inverters.

Essa norma determina o procedimento de ensaio para inversores quanto ao anti-ilhamento. Ela será aplicada a outros tipos de

sistemas conectados à rede, além do sistema fotovoltaico, como por exemplo, inversores conectados a micro turbinas, células a combustível, máquinas síncronas e de indução.

O seu objetivo será fornecer o procedimento para se realizar

ensaios visando avaliar o desempenho das técnicas de prevenção de ilhamento e desconexão automática em caso de falta da rede elétrica.

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Normas e Regulamentos Internacionais

Uma importante referência internacional é a experiência americana, que usa como principal base para o processo de interconexão, as normas e as recomendações do IEEE.

Além do IEEE algumas organizações como o National Fire Protection Association (NFPA) e o Underwriter Laboratories (UL) publicaram normas como o National Electric Code

(NEC) Article 690 e a UL 1741, respectivamente, relativas à interconexão de fontes renováveis com a rede elétrica.

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INVERSORES

Os Sistemas Fotovoltaicos são conectados à rede elétrica por meio dos inversores.

Estes inversores, denominados grid tie, necessitam de diversas funcionalidades a fim de manter os níveis

seguros de operação da rede elétrica, como algoritmos de proteção.

Os inversores grid tie têm forma de onda senoidal na

tensão de saída, algoritmos de sincronismo e controle da corrente.

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Em um sistema solar de geração de energia a tensão de saída é contínua, o que inviabiliza a sua conexão diretamente com a rede elétrica.

Os inversores de tensão grid tie realizam esta interface com o objetivo de transformar a tensão CC em alternada, além de garantir a estabilidade e o bom funcionamento do sistema.

Os inversores grid tie dispõem de um algoritmo de controle capaz de realizar o sincronismo com a rede, viabilizando o despacho de energia para a mesma.

Em alguns países existem leis que obrigam as concessionárias a comprar essa energia gerada.

Da mesma forma também existem leis e normas para garantir a qualidade da energia que é gerada pelos auto produtores.

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Os inversores grid tie atuam em paralelo com a rede elétrica. Dessa forma, sua operação deve preservar os níveis de qualidade de energia da rede como os valores de tensão, frequência, harmônicos e fator de potência, por exemplo.

Outro ponto importante são os algoritmos de

proteção, os quais devem identificar a presença do

distúrbio e desconectar o inversor em casos específicos como a ausência de tensão na rede principal, níveis

críticos de tensão e frequência fora dos padrões, entre

outros.

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Alguns distúrbios em que a proteção do inversor deve atuar:

ILHAMENTO

Ilhamento é definido quando parte de uma rede de distribuição, que contenha geração e carga, continua

energizada dentro dos níveis operacionais, mesmo com a rede principal desconectada.

Situações de ilhamento podem oferecer alguns riscos como:

danos aos funcionários de manutenção com a energização da rede de forma inesperada,

níveis operacionais fora dos padrões que podem ocasionar danos às cargas,

atuação de sistemas de proteção no religamento da rede principal, entre outros.

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O ilhamento pode ser gerado por diversos motivos:

fenômenos naturais, desconexão intencional da rede para algum serviço,

Falhas de mecanismos de proteção,

erros humanos,

vandalismo, etc.

Para evitar essa condição de ilhamento, existem algumas técnicas de anti ilhamento.

A maioria dos inversores grid tie contém esses

métodos em seu algoritmo de controle.

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Os métodos de proteção anti ilhamento podem ser remotos, que dependem da comunicação entre a

concessionária e a GD, ou locais que utilizam apenas parâmetros elétricos da rede ao qual está conectada.

As técnicas locais ainda são divididas em passivas e ativas.

As técnicas remotas são o uso de PLCC (Power Line

Carrier Communications) e o SCADA (Supervisory

Control and Data Acquisition).

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O sistema PLCC envia um sinal de comunicação pela linha de transmissão.

O transmissor de PLCC envia continuamente um sinal para o receptor localizado no consumidor, caso esse sinal

desapareça, a GD poderá cessar o fornecimento de energia, evitando a situação de ilhamento.

A metodologia SCADA usa a rede de sensoriamento e

comunicação que a concessionária utiliza para controlar e monitorar os seus sistemas.

Quando ocorrer alguma falta na rede, o sistema SCADA pode determinar o local do ilhamento e enviar um sinal de alerta para a GD se desconectar das cargas locais.

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Uma das técnicas locais passivas para a detecção de ilhamento é a detecção de variação na tensão, sobre/sub tensão, ou frequência

Há uma interrupção no fornecimento de energia da geração quando a frequência ou a tensão estiverem fora dos valores padrões.

Além da detecção de sobre ou subtensão ou frequência, existem outros métodos locais passivos de anti ilhamento, como a

detecção de salto de fase ou a detecção de harmônicos.

Entretanto, estas duas ultimas técnicas podem gerar desconexões desnecessárias, em situações que não tenha ocorrido ilhamento, por exemplo, na primeira quando é ligado um motor e na

segunda quando ocorre chaveamento de banco de capacitores

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Nas técnicas locais ativas são geradas perturbações no

sistema de maneira que a resposta percebida indique falha na rede.

Entre as técnicas ativas estão: a medição de impedância, o deslocamento de frequência de escorregamento,

deslocamento ativo da frequência, deslocamento da frequência sandia e deslocamento da tensão sandia

Uma desvantagem dessas técnicas é o fato de que as perturbações podem gerar desbalanceamentos entre o sistema de GD e as cargas

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Alguns distúrbios em que a proteção do inversor deve atuar:

SINCRONISMO

Existem diversas técnicas que podem ser implementadas nos inversores grid tie para realizar o sincronismo com a rede.

O sincronismo pode ser realizado utilizando:

o DPZ (Detetor de Passagem por Zero)

o PLL (Phase Locked Loop)

o SOGI (Second Order Generalized Integrator )

o algoritmo TDFR (Transformada Discreta de Fourier Recursiva).

Essas técnicas são implementadas por algoritmo em um microcontrolador e conseguem realizar o sincronismo em milésimos de segundos.

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As técnicas mais simples e muito usadas são o DPZ e o PLL.

O circuito DPZ detecta o instante em que a senóide passa pelo ponto zero e neste mesmo instante gera um pulso. Este pulso libera a conexão do inversor com a rede. A desvantagem dessa metodologia é na presença de sinais distorcidos e de harmônicos na rede. Nestas situações podem ocorrer passagens por zero não relacionadas à frequência fundamental.

O PLL é um algoritmo de controle robusto, identificando o sincronismo mesmo na presença de distorções harmônicas ou transitórios. O PLL é composto por um detector de fase, um filtro passa-baixa e um oscilador controlado por tensão.

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Cabe ressaltar que o sincronismo é fundamental para o funcionamento do inversor grid tie, pois se durante a conexão do inversor na rede as tensões não estiverem

sincronizadas, ocorrerá um fluxo de potência sem controle (curto circuito), levando à queima de equipamentos e à

ocorrência de distúrbios na rede elétrica.

Os inversores grid tie ofertados no mercado somente

realizam a conexão após o sincronismo com a rede, fator essencial para liberar o chaveamento e, por consequência, a injeção de corrente na rede.

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Alguns distúrbios em que a proteção do inversor deve atuar:

Sobre/Sub Tensão e Frequência

As proteções de sobre/sub tensão e frequência cessam o fornecimento de energia caso a amplitude da tensão ou a frequência estejam fora dos limites normais de operação, conforme valores definidos pelas normas de conexão à rede.

Esta característica, além de ser usada como uma técnica de anti ilhamento, minimiza impactos negativos na rede de distribuição.

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Alguns distúrbios em que a proteção do inversor deve atuar:

Corrente de Curto e Sobre Corrente

A proteção contra corrente de curto e sobre corrente na saída do inversor é feita pelo próprio equipamento.

Os inversores de tensão funcionam como fontes de corrente, por isso, em caso de curto circuito na carga, a corrente fica limitada à corrente nominal do equipamento.

Caso o controle do equipamento não responda corretamente, a corrente de curto circuito será mantida pelo próprio inversor até a queima dos componentes de potência, interrompendo assim o curto.

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Fabricantes de inversores no mundo

Existe uma diversidade de fabricantes de inversores no mundo, sendo os EUA e a Alemanha os países com a maior participação no mercado.

As normas que regem as questões de proteção e

manutenção da qualidade de energia para inversores grid tie, são:

IEEE 929: apresenta as definições especificas para conexão de sistemas fotovoltaicos (PV) na rede elétrica relacionadas à qualidade de energia, proteção e segurança de operação.

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Fabricantes de inversores no mundo

IEEE 1547 e UL 1741: apresentam os requisitos gerais para a

conexão, repostas às condições anormais da rede, qualidade de energia e condições de ilhamento, além de especificações de testes e da interconexão da GD em sistemas elétricos de

potência.

IEEE 519: contém as recomendações necessárias para o controle da injeção de harmônicos no sistema elétrico de potência.

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Fabricantes de inversores no mundo

Xantrex (Canadá)

PV Powered (EUA)

SMA (Alemanha) – Sunny Boy

Outback (EUA)

Kaco (Alemanha)

Solectra (EUA)

Ginlong (China)

Santerno (Italia)

ABB (Suíça)

Power Jack (China)

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A conexão de sistemas fotovoltaicos à rede elétrica tem crescido nos últimos anos no Brasil.

Embora as normas e regulamentações tenham avançado, ainda há muito a se fazer.

As concessionárias de energia elétrica estão se

empenhando em criar a regulamentação para a interligação de auto produtores em paralelo com seus sistemas

Já há alguns incentivos para os sistemas fotovoltaicos como o estabelecido na Resolução Normativa 481 da ANEEL.

Foram apresentados alguns aspectos técnicos relativos à regulamentação e aos inversores.

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Referências:

[1] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica,

"Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no

Sistema Elétrico Nacional – Qualidade da Energia Elétrica,"

ANEEL, Procedimentos de Distribuição Módulo 8, 2008.

[2] Página América do Sol: www.americadosol.org – consultada em 25/11/2012 às 12:00.

[3] Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira – Nota Técnica EPE – Maio de 2012

[4] Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica no Brasil:

Panorama da Atual Legislação – Relatório Final

International Energy Initiative – IEI – Outubro de 2009

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Referências:

[5] Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz

Elétrica Brasileira – Dissertação de Mestrado – Aimé Fleury de Carvalho Pinto Neto - 2012

[6] IEEE, "Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems," IEEE, New York, Standard 1547, 2003.

[7] YIN, J.; CHANG, L.; DIDUCH, C. Recent developments in islanding detection for distributed power

generation. IEEE, p. 124-128, 2004.

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Referências

temas relacionados :