ESTUDO DA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA INJETADA À REDE POR INVERSORES UTILIZADOS EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

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1 ASADES Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 5,. Impreso en la Argentina. ISSN 9-5 ESTUDO DA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA INJETADA À REDE POR INVERSORES UTILIZADOS EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS G. A. Rampinelli, A. Krenzinger Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina Faculdade SATC Rua Pascoal Meller, 7 Criciúma, SC, Brasil. Tel. 55()75 Fax 55()75 Contato: giuliano.rampinelli@satc.edu.br Universidade Federal do Rio Grande do Sul Laboratório de Energia Solar Avenida Bento Gonçalves, 95 Prédio 7 Porto Alegre, RS, Brasil. Tel. 55(5)6 Fax 55(5)6 Contato: arno.krenzinger@ufrgs.br RESUMO: A penetração da energia solar fotovoltaica na matriz energética de países como a Alemanha, Espanha, Itália, Estados Unidos, Japão entre outros têm aumentado consideravelmente nos últimos anos. Neste panorama de crescimento torna-se imprescindível a garantia de que a energia fotovoltaica entregue à rede elétrica apresente qualidade aceitável. Este trabalho apresenta os resultados de ensaios de distorção harmônica, que é um dos parâmetros de avaliação de qualidade de energia elétrica, de inversores utilizados em sistemas fotovoltaicos conectados à rede e que foram realizados no Laboratório de Energia Solar (Labsol) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Para a realização do trabalho foi montada uma bancada de testes constituída por um analisador de potência e foram utilizados oito modelos de inversores de três diferentes fabricantes. Em potências relativas próximas da potência nominal, o conteúdo de harmônicos é baixo e encontra-se dentro dos limites estabelecidos pelas normas técnicas, mas em baixos níveis de carregamento, os inversores podem injetar na rede elétrica elevados níveis de harmônicos. Palavras chaves: Energia Solar, Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede, Inversor, Distorção Harmônica Total. INTRODUÇÃO Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede constituem a aplicação da energia solar fotovoltaica que tem apresentado a maior taxa de crescimento anual no mundo. Desde 997 a potência instalada anualmente de SFCR supera todas as demais aplicações terrestres da tecnologia fotovoltaica reunidas (Maycock e Bradford, 6) e desde as aplicações conectadas à rede representam cerca de 9 % do mercado (IEA, ). A capacidade instalada em foi da ordem de 6 GW representando um aumento de praticamente % em relação a 9 (EPIA, ). Na Espanha, a energia solar fotovoltaica foi responsável por % da produção de energia durante o verão de enquanto que os preços médios para instalação de grandes sistemas fotovoltaicos foi da ordem de,5 euros/w P em muitos países (EPIA, ). A potência fotovoltaica instalada acumulada no mundo é da ordem de GW. Esses dados consolidam o momento favorável experimentado pela energia solar fotovoltaica em diversos países. No Brasil não há atualmente uma regulamentação para sistemas fotovoltaicos conectados à rede, existindo apenas recomendações de engenharia, mas que comumente não são específicas para a aplicação em sistemas fotovoltaicos. Em países como Estados Unidos, Alemanha, Espanha, Itália e Japão existem regulamentações devido a políticas de desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos. As concessionárias brasileiras não têm experiência em conexão de sistemas fotovoltaicos à rede e não estão preparadas para enfrentar a situação devido à falta de regulamentação. Uma regulamentação brasileira adaptada deve se apoiar na experiência apresentada por esses países. Para que a tecnologia fotovoltaica tenha um futuro promissor como fonte de energia principal, deverá desenvolver-se a partir das experiências realizadas nos países que impulsionaram o mercado fotovoltaico. Os programas de apoio e incentivo criam economias de escala que por conseqüência reduzem os custos e impulsionam o mercado. Apesar de que os programas de mercado são desenvolvidos para ser unicamente meios de apoio temporários, são decisivos na formação de um mercado estável (Collado et al., e Muñoz et al., ). A regulação do setor elétrico desempenha o importante papel de orientar a evolução das energias em função das necessidades energéticas do país, incentivando sua produção em função do grau de desenvolvimento e interesse da mesma. O INVERSOR O inversor CC/CA converte a potência em corrente contínua proveniente do arranjo fotovoltaico em potência em corrente alternada que em condições normais (qualidade aceitável) será injetada na rede elétrica. O desenvolvimento da tecnologia eletrônica de potência permitiu considerável incremento na eficiência de conversão CC/CA, conjuntamente com um aumento de confiabilidade e redução de custos. Os inversores utilizados atualmente em SFCR incorporam funções de controle que influenciam no funcionamento do sistema, tais como: seguidor do ponto de máxima potência, conexão ou desconexão da rede em função das condições da mesma e da irradiância incidente sobre o arranjo, medida de energia entre outras e apresentam diferentes circuitos de conversão de energia e opções de transformadores, sendo que comercialmente existem inversores com transformador de alta ou baixa freqüência e inversores sem transformador. Cada topologia possui características próprias, implicando em vantagens e desvantagens umas em relação às outras (Urbanetz, ; González et al., 7; Kjaer et al.,.65

2 5). Por medida de segurança, os primeiros sistemas fotovoltaicos conectados à rede eram projetados para trabalharem em baixas tensões e, portanto transformadores na saída de inversores eram necessários. No entanto, os transformadores além de pesados e caros, sempre foram um obstáculo para os fabricantes conseguirem aumentar a eficiência de seus equipamentos. Atualmente as plantas fotovoltaicas trabalham com tensões maiores e os inversores sem transformadores conquistaram espaço no mercado, apresentando eficiências maiores que os inversores com transformador. Desde 7 o laboratório da Photon realiza regularmente ensaios elétricos de inversores de diferentes fabricantes e modelos e as maiores eficiências foram obtidas por inversores que trabalham sem transformador (Photon, /). A utilização de inversores sem transformador depende da regulamentação vigente no país onde se projeta instalar a planta fotovoltaica. Esta regulamentação pode exigir que haja separação galvânica entre o lado de corrente contínua e alternada. Além disso, determinados módulos cristalinos, como os módulos de alto rendimento, necessitam de uma ligação à terra do gerador fotovoltaico com elevada resistência e sem separação galvânica se produziria um curto circuito. Em módulos de filmes finos em muitos casos são necessários inversores com transformador, uma vez que, sem separação galvânica surge um potencial capaz de provocar nestes módulos uma corrosão elétrica, danificando suas células (Photon, /). Os fabricantes já estão buscando soluções para adequar os inversores sem transformador a estes módulos. Quanto à qualidade, o sistema deve injetar uma energia de qualidade na rede elétrica. Um problema de qualidade de energia pode ser definido como qualquer problema de ordem elétrica que se manifesta em perturbações de tensão, corrente ou freqüência ocasionando danos ou operação incorreta do equipamento do usuário (Dugan et. al., 996). A qualidade da energia é avaliada a partir de certos parâmetros que devem apresentar níveis que são estipulados pela concessionária. Esses parâmetros são baixo conteúdo de harmônicos, forma de onda senoidal com freqüência de 6 Hz, no caso brasileiro e alto fator de potência. A falha ou defeito na rede não deve resultar em danos ao sistema fotovoltaico conectado à rede, sendo que os equipamentos devem garantir uma desconexão segura do sistema. De maneira similar, uma falha ou defeito no sistema deve ser identificado pelo equipamento de proteção e não deve afetar outros consumidores do sistema elétrico. O impacto e a qualidade da energia elétrica injetada na rede elétrica de distribuição é tema de diversos trabalhos (Lee et al., 6; Pomilio, 6; Pires, 6). Esses trabalhos abordam principalmente as características elétricas dos inversores utilizados em SFCR de distorção harmônica e fator de potência. Simmons e Infield,, e Infield et. al.,, analisam a qualidade da energia injetada na rede por sistemas fotovoltaicos, Kourtesi et al., 7, avaliam estratégias para reduzir o conteúdo de harmônicos, Caamaño-Martin et al.,, analisam o impacto de sistemas fotovoltaicos na rede elétrica de distribuição e Woyte et al., 6, analisam as flutuações de tensões que ocorrem quando sistemas fotovoltaicos injetam corrente na rede elétrica de distribuição. METODOLOGIA EXPERIMENTAL E RESULTADOS Para realizar os ensaios específicos de inversores foram utilizados dez modelos diferentes de inversores, sendo cinco de tecnologia SMA, três de tecnologia Fronius e dois de tecnologia Mastervolt e foi montada uma bancada de testes, composta por um analisador de potência (Fluke ) e um computador para a aquisição de dados (Figura ). O equipamento Fluke é um analisador de qualidade de energia trifásica. O equipamento está em conformidade com a diretiva de compatibilidade eletromagnética 9/6/EEC, diretiva de baixa tensão 6/95/EC, IEC/EN6-- e IEC/EN66- que são normas sobre requisitos de segurança para equipamentos elétricos destinados a medição, controle e uso em laboratório (Fluke, 7). Para o caso específico de medições de inversores de sistemas fotovoltaicos, as conexões devem estar de acordo com o procedimento descrito na Figura que apresenta o diagrama esquemático das conexões de entrada do dispositivo. Figura : Diagrama esquemático das conexões de entrada do Fluke..66

3 As grandezas físicas medidas foram tensão e corrente contínua e tensão e corrente alternada. O analisador de potência, a partir das grandezas físicas medidas, determina dados de potência, fator de potência e distorção harmônica na tensão e na corrente. A Tabela apresenta as principais características técnicas dos inversores utilizados nos ensaios desenvolvidos no Labsol/UFRGS. Fabricante Modelo Potência CC (kw) Potência CA (kw) Topologia Máxima Nominal Máxima Nominal (Transformador) SMA SB,5,,,9 Baixa freqüência SMA SB 5,,,5, Baixa freqüência SMA SB U,,,, Baixa freqüência Fronius IG 5,,,5, Alta freqüência Fronius IG,7,9,, Alta freqüência Fronius IG,6,69,65,5 Alta freqüência Mastervolt QS,,7,75,6 Alta freqüência Mastervolt QS,95,75,75,6 Alta freqüência Tabela : Dados de potência elétrica CC e CA dos inversores que foram ensaiados no Labsol/UFRGS. Em dispositivos de controle como os inversores, as distorções harmônicas devem-se principalmente aos componentes harmônicos ímpares. O analisador de potência mede e registra até o 5 harmônico na tensão, na corrente e na potência que também são parâmetros elétricos que dependem do nível de carregamento do inversor e da rede elétrica no ponto de conexão. A distorção harmônica total na corrente depende da distorção harmônica total na tensão e da potência de operação do inversor. A Thd V depende da rede elétrica e é variável ao longo do dia. Para possibilitar comparação entre os inversores, os mesmos tiveram suas respectivas Thd I medidas em um mesmo valor de Thd V (,7 %f). A Tabela apresenta os valores da distorção harmônica total na corrente em diferentes valores de potência relativas apresentado em destaque as potências relativas em que a Thd I é menor que 5 %. 5% % % % 5% 75% % SB 5,,,5 7,,,9, SB 5,6, 5,, 6,,, SB U,,,6 6,,9,6,7 IG 5 7,,9,,, 6,7 5, IG,5 7,7,6 9,6 6,9 5, 5, IG, 5,7 9,6 7, 6, 5,5 5, QS, 7,5,7,5,5,9,6 QS, 9, 6,5,9,,6, Tabela : Distorção harmônica total na corrente dos inversores em diferentes potências relativas. Quando o inversor está operando na potência nominal a distorção harmônica total na corrente deve ser menor que 5 % da corrente fundamental e cada harmônico individual deve estar limitado conforme estabelecido em normas técnicas (IEC- 677, ; IEEE-59, 99; IEEE-99, apud Urbanetz, ). A Figura apresenta as formas de onda de tensão e corrente na saída do inversor SMA Sunny Boy U com potência nominal de 6 % (a) e % (b). Figura : Tensão e corrente na saída do SMA Sunny Boy U com potência nominal de 6 % (a) % (b). Quando a tensão da rede é senoidal, ou seja, apresenta pequeno conteúdo harmônico, a corrente injetada na rede pelo inversor também é senoidal e com baixo conteúdo harmônico quando o inversor está operando com potências relativas maiores que %, aproximadamente. Evidentemente, um inversor de qualidade deve apresentar níveis de conteúdos harmônicos limitados pelos níveis estabelecidos nas normas técnicas na maior faixa de potência possível. Entretanto, verifica-se que em potências relativas menores que % ou %, dependendo do fabricante, os inversores podem apresentar níveis de distorção.67

4 harmônica na corrente maior que os limitados nas normas técnicas, mesmo quando a tensão da rede apresenta baixo conteúdo harmônico. Os primeiros harmônicos ímpares são os principais responsáveis pelos níveis de distorção harmônica. Conforme normas técnicas, o limite de distorção dos harmônicos ímpares de ordem, 5, 7 e 9 deve ser menor que % quando o inversor está operando na potência nominal (IEC-677, ; IEEE-59, 99; IEEE-99, apud Urbanetz, ). O comportamento dos primeiros harmônicos ímpares em função da potência relativa dos inversores SMA Sunny Boy e SMA Sunny Boy 5 são apresentados na Figura. Harmônicos de Corrente (%f) 6 SMA Sunny Boy 6 SMA Sunny Boy Figura : Primeiros harmônicos ímpares de corrente em função da potência relativa dos inversores SMA Sunny Boy e SMA Sunny Boy 5. O comportamento dos primeiros harmônicos ímpares em função da potência relativa dos inversores SMA Sunny Boy U e Fronius IG são apresentados na Figura. 6 6 Harmônicos de Corrente (%f) SMA Sunny Boy U Fronius IG Figura : Primeiros harmônicos ímpares de corrente em função da potência relativa dos inversores SMA Sunny Boy U e Fronius IG. O comportamento dos primeiros harmônicos ímpares em função da potência relativa dos inversores Fronius IG 5 e Fronius IG são apresentados na Figura 5 e dos inversores Mastervolt Sunmaster QS e Mastervolt Sunmaster QS são apresentados na Figura 6..6

5 5 5 Harmônicos de Corrente (%f) 5 5 Fronius IG Fronius IG Figura 5: Harmônicos de corrente dos inversores Fronius IG 5 e Fronius IG. Harmônicos de Corrente (%f) 6 Mastervolt Sunmaster QS 6 Mastervolt Sunmaster QS Figura 6: Harmônicos de corrente dos inversores Mastervolt Sunmaster QS e Mastervolt Sunmaster QS. A distribuição das componentes harmônicas na corrente e na tensão de inversores também é analisada, sendo que são comparadas duas distribuições obtidas em diferentes níveis de carregamento. A Figura 7 e a Figura apresentam as componentes harmônicas na corrente e na tensão, respectivamente, do inversor Fronius IG em diferentes potências. 6 6 %IRMS Fronius IG Hamônicos na Corrente em % de PNOM Fronius IG em % de PNOM Figura 7: Componentes harmônicos na corrente do inversor Fronius IG operando em % e % da P NOM..69

6 %VRMS.5.5 Fronius IG em % de PNOM.5.5 Fronius IG em % de PNOM.5.5 Figura : Componentes harmônicos na tensão do inversor Fronius IG operando em % e % da potência nominal. A Figura 9 e a Figura apresentam as componentes harmônicas na corrente e na tensão, respectivamente, do inversor SMA Sunny Boy operando em diferentes potências. %IRMS 6 SMA Sunny Boy em % de PNOM 6 SMA Sunny Boy em % de PNOM Figura 9: Componentes harmônicos na corrente do inversor SMA Sunny Boy operando em % e % da P NOM..5.5 %VRMS.5 SMA Sunny Boy em % de PNOM.5 SMA Sunny Boy em % de PNOM.5.5 Figura : Componentes harmônicos na tensão do inversor SMA Sunny Boy operando em % e % da potência nominal. A distorção harmônica na tensão no ponto de conexão dos inversores é devida exclusivamente ao harmônico de ordem 5, uma vez que os demais harmônicos apresentam valores menores que,5 % de V RMS. Entretanto, é possível encontrar distribuições de harmônicos na tensão bem diferentes onde há harmônicos de outras ordens contribuindo na distorção harmônica total [Urbanetz, ]. A Figura e a Figura apresentam as componentes harmônicas na corrente e na tensão, respectivamente, do inversor Mastervolt Sunmaster QS operando em diferentes potências..7

7 6 5 Mastervolt Sunmaster QS em % de PNOM 6 5 Mastervolt Sunmaster QS em % de PNOM %IRMS Figura : Componentes harmônicos na corrente do inversor Mastervolt Sunmaster QS..5.5 %VRMS.5 Mastervolt Sunmaster QS em % de PNOM.5 Mastervolt Sunmaster QS em % de PNOM.5.5 Figura : Componentes harmônicos na tensão do inversor Mastervolt Sunmaster QS. Em potências próximas da potência nominal o conteúdo harmônico na corrente, que é pequeno, é devido principalmente aos harmônicos ímpares de baixa ordem. A distorção harmônica total tende aumentar quando o nível de carregamento do inversor vai diminuindo independentemente da impedância da rede, embora seja possível encontrar situações em que a presença de cargas elétricas reativas no ponto de conexão interfira no conteúdo harmônico na corrente injetada pelo inversor na rede (Urbanetz, ). Ainda segundo Urbanetz,, a presença de cargas reativas pode inclusive impedir a conexão dos inversores que rejeitam a rede elétrica acusando falha no lado CA. CONCLUSÃO O presente trabalho apresentou os resultados de ensaios de distorção harmônica de inversores utilizados em sistemas fotovoltaicos conectados à rede, sendo que foram ensaiados oito modelos de inversores de três diferentes fabricantes. Em potências relativas maiores que % - %, aproximadamente, os níveis de distorção harmônica situam-se dentro dos limites estabelecidos pelas normas técnicas. Em potências relativas de %, aproximadamente, o harmônico de ordem 5 (caso dos inversores Mastervolt Sunmaster QS e Fronius IG ) e os harmônicos de ordem e 7 (caso do inversor SMA Sunny Boy ) podem elevar significativamente a distorção harmônica total. A contribuição das componentes harmônicas na corrente, em baixa, média ou alta potência, pode variar de acordo com o fabricante do inversor e as condições da rede local, mas essencialmente a distorção harmônica total na corrente é dependente do nível de carregamento do inversor. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio recebido do CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico), Eletrobrás (Centrais Elétricas Brasileiras) e Finep (Financiadora de Estudos e Projetos). REFERÊNCIAS Caamaño-Marin, E.; Laukamp, H.; Jantsch, M.; Erge, T.; Thornycroft, J.; De Moor, H.; Cobben, S.; Suna, D.; Gaiddon, B. Interaction Between Photovoltaic Distributed Generation and Electricity Networks. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 6, pp

8 Collado, E.; Castro, M.; Colmenar, A. Evolución de la Regulación y Perspectivas en la Industria Fotovoltaica Española. th Congresso Ibérico y 9 th Congresso Iberoamericano de Energía Solar, Vigo, España, pp. 5-5,. Dugan, R. C; McGranaghan, M. F.; Wayne Beaty, H. Electrical Power Systems Quality. MGraw Hill, 65p European Photovoltaic Industry Association (EPIA). Market Outlook.. Fluke Corporation. Fluke /5 Three Phase Power Quality Analyzer. Guia do usuário. 7. González, R.; López, J.; Sanchis, P.; Marroyo, L. Transformerless Inverter for Single-Phase Photovoltaic System. IEEE Transactions on Power Electronics, vol, n., pp International Energy Agency (IEA). Trends in Photovoltaic Applications: Survey Report of Selected IEA Countries between 99 and 9. Photovoltaic Power System Programme (PVPS).. Infield, D. G.; Onions, P.; Simmons, A. D.; Smith, G. A. Power Quality from Multiple Grid-Connected Single Phase nverter. IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 9, n., pp Kjaer, S. B.; Pedersen, J. K.; Fellow, F. B. A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules. IEEE Transactions on Industry Applications, vol, n. 5, pp Kourtesi, S.; Ekonomou, L.; Nakulas, A.; Fotis, G. P.; Zoulias, E. Modeling and Simulation of a Single Phase Photovoltaic Inverter and Investigation of Switching Strategies for Harmonic Minimization. 6 th WSEAS International Conference on Applications of Electrical Engineering, Istanbul, Turkey. 7. Lee, Y. D.; Chen, C. S.; Hsu, C. T.; Cheng, H. S. Harmonic Analysis for the Distribution System with Dispersed Generation Systems. International Conference on Power System Technology. 6. Maycock, P., Bradford, T. PV Market Update: Soaring Demand continues despite predictions of slowdown. Renewable Energy World, volume 9, issue. 6. Muñoz, J. V.; Fuentes, M.; Nofuentes, G.; Aguilera, J.; Almonacid, G.; Pérez, P.; Goméz, P. Métodos para Evaluar el Correcto Funcionamiento de una Instalación Fotovoltaica Conectada a la Red. th Congresso Ibérico y 9 th Congresso Iberoamericano de Energia Solar, Vigo, España, pp Photon La Revista de Fotovoltaica. Investigación y Tecnología: Inversores. Março, pp. 7.. Pires, I. A. Caracterização de Harmônicos Causados por Equipamentos Eletro-eletrônicos Residenciais e Comerciais no Sistema de Distribuição de Energia Elétrica. Dissertação de Mestrado, PPGEE/UFMG, Belo horizonte, Brasil. 6. Pomilio, J. A. Normas Relativas a Fator de Potência e Distorção Harmônica. O Setor Elétrico, São Paulo, p Simmons, A. D.; Infield, D. G. Current Waveform Quality from Grid-Connected Photovoltaic Inverters and its Dependence on Operating Conditions. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol, pp. -.. Urbanetz, J. Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Redes de Distribuição Urbanas: Sua Influência na Qualidade da Energia Elétrica e Análise dos Parâmetros que Possam Afetar a Conectividade. Tese de Doutorado, PPGEC/UFSC, Florianópolis, Brasil.. Woyte, A.; Thong, V. V.; Belmans, R.; Nijs, J. Voltage Fluctuations on Distribution Level Introduced by Photovoltaic System. IEEE Transactions on Energy Conversion, vol, n., pp STUDY OF THE QUALITY OF THE POWER INJECTED IN THE GRID BY INVERTERS USED IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS ABSTRACT: The penetration of photovoltaic solar energy in countries like Germany, Spain, Italy, United States, Japan has increased considerably in the last years. Against this background of growth it is essential to ensure that photovoltaic energy delivered to the grid provide acceptable quality. This paper presents the results of tests of harmonic distortion, which is a parameter for evaluating the quality of electric power. The tests with inverters used in photovoltaic systems were performed at the Laboratory of Solar Energy (Labsol) at Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS). For accomplishment of the tests we had used eight models of inverters of three different manufacturers. In fractional load close to the nominal power, the harmonic content is low, but at low levels of loading, the inverters may inject high levels of harmonics in the grid. Keywords: Solar Energy, Grid-Connected Photovoltaic Systems, Inverter, Electrical Energy Quality..7