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.

SIBGECE³ - 30/11/2012 - PUC RJ

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INTRODUÇÃO

NORMAS E REGULAÇÕES

INVERSORES

SIBGECE³- 30/11/2012 - PUC RJ

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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

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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 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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 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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 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.

CONEXÃO DE SISTEMAS DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA À REDE ELÉTRICA

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