QUALIDADE DE ENERGIA DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA COM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A REDE NA USP: Avaliação dos parâmetros de suprimento

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1 QUALIDADE DE ENERGIA DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA COM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A REDE NA USP: Avaliação dos parâmetros de suprimento Wilson Negrão Macêdo Programa Interunidade de Pós-graduação em Energia da Universidade de São Paulo IEE POLI - FEA IF Instituto de Eletrotécnica e Energia, USP, Av. Prof. Luciano Gualberto 1289, São Paulo, Brazil wnmacedo@iee.usp.br, Fax.: , Fone: (0xx-11)( ) Roberto Zilles Programa Interunidade de Pós-graduação em Energia da Universidade de São Paulo IEE POLI - FEA IF Instituto de Eletrotécnica e Energia, USP, Av. Prof. Luciano Gualberto 1289, São Paulo, Brazil zilles@iee.usp.br, Fax.: , Fone: (0xx-11)( ) Resumo. Este trabalho apresenta resultados obtidos da avaliação de parâmetros relacionados à qualidade da energia fornecida pelo sistema fotovoltaico conectado a rede elétrica de baixa tensão de 6,3 kwp, instalado no prédio da administração do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de são Paulo, IEE-USP. Os resultados obtidos mostram a necessidade de se fazer estudos sistemáticos com o intuito de se obter experiência e conhecimento para trabalhar com os possíveis problemas e benefícios que essas instalações podem proporcionar a rede elétrica. Palavras Chaves. Qualidade de Energia, Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede (SFCR), Geração Distribuída, Controle de Potência Ativa e Reativa. 1. Introdução No Brasil, sistemas fotovoltaicos têm crescido principalmente nas áreas rurais por causa dos incentivos financeiros dado pelo governo. Somente na segunda metade da década de 90, que o país iniciou suas primeiras experiências com a aplicação de sistemas fotovoltaicos conectados a rede (SFCR) elétrica de baixa tensão. Desde então, aplicações demonstrativas e experimentais vêm sendo implementadas a cada ano no país, com o intuito de estudar e difundir tal aplicação. Em abril de 1998, com o apoio da FAPESP, o IEE-USP iniciou suas atividades em sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica de distribuição. A primeira instalação, com potência de 695 Wp, possibilitou as primeiras conversações com a empresa distribuidora, ELETROPAULO, no que refere a utilização desses sistemas Os resultados obtidos nos primeiros três anos de operação permitiram ampliar a experiência com a implementação de 6,3kW na fachada do prédio da administração do IEE-USP. Esta ampliação fundamentada no apoio da FAPESP contou também com apoio do CNPq e do MME através da Secretaria de Estado de Energia. Este prédio, com curva de carga predominantemente diurna, apresenta um consumo médio diário, durante os dias úteis, de 142kWh. Com estes 6,3 kwp (aproximadamente 60m 2 ), temos em média 25% da demanda mensal suprida pelo gerador fotovoltaico. Vale ressaltar, que em dias não úteis, onde a geração é maior que o consumo, tem-se que além de consumidora de energia, essa edificação passa a ser produtoras de energia. Por essa razão, e devido a crescente aplicação dessa tecnologia no Brasil, há a necessidade de se avaliar a qualidade da energia gerada por estes sistemas e de que maneira eles podem alterar o fornecimento de energia elétrica da concessionária a qual estes estão interagindo. Estas atividades, essencialmente de pesquisa em andamento no IEE, visam o aprofundamento da utilização de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica como forma complementar de geração distribuída no país, tanto sobre o ponto de vista técnico como legal. 2. Descrição do sistema fotovoltaico conectado a rede elétrica O sistema possui 6,3 kwp de potência CC dividida em 4 arranjos, cada um com 20 módulos de silício policristalino, e 4 inversores CC/CA idênticos de 1 kw de potência nominal. A configuração adotada é ilustrada na Fig. (1), onde é representado o diagrama unifilar do sistema fotovoltaico analisado neste trabalho. Na Fig. (1) também é possível visualizar os pontos onde foram realizadas as medidas com o instrumento utilizado na aquisição de dados relativos a qualidade da energia CA fornecida pelo sistema.

2 Fig. 1 Esquema monofilar do sistema fotovoltaico de 6,3 kwp e aparelho de medição Fluke 41 utilizado. Para avaliação dos parâmetros associados com a qualidade da energia elétrica fornecida pelo sistema fotovoltaico conectado à rede, medidas foram realizadas em diferentes situações de potência CA entregue por cada inversor a rede. Para execução destas medidas fez-se uso de um equipamento para análise da qualidade da energia 1, permitindo assim identificar o conteúdo e distribuição de harmônicos, variações dos níveis de tensão e freqüência em função da potência CA entregue pelo sistema. 3. Características dos inversores utilizados no sistema conectado a rede Estes equipamentos têm a função de acondicionar a energia elétrica produzida pelos arranjos fotovoltaicos (CC) à carga (CA) conectada à rede elétrica de baixa tensão. No caso em que a energia produzida pelos arranjos fotovoltaicos não é suficiente para atender a carga, a energia adicional necessária é obtida da rede elétrica. Por outro lado, se a energia produzida pelo sistema fotovoltaico exceder a carga, essa energia excedente é injetada na rede da concessionária local, por meio dos inversores, podendo ser absorvida por outros consumidores. Nos casos mais simples, pode-se dizer que um sistema fotovoltaico conectado à rede consiste basicamente de dois componentes: o gerador fotovoltaico e o inversor. No caso particular aqui estudado, são utilizados quatro inversores idênticos cujas principais características são apresentadas na Tab. (1). 1 Equipamento FLUKE modelo 41 com comunicação com PC via interface ótica RS232.

3 Tab. 1 Características fornecidas pelo fabricante. INVERSOR SUNNY BOY- MODELO SB11000E Entrada (módulos Fotovoltaicos) Faixa de tensão de entrada: V fv V CC Corrente máxima de entrada: I fvmax 8,5 A Tensão de ripple: V pp < 10% com V MPPmin Saída CA (rede elétrica) Potência nominal: P CAcnom 1000 W Potência de pico P CAmax 1100 W Distorção harmônica da corrente de saída (em THD Vrede < 2 %, P CA > < 4 % 0,5*P CAnom : THD IAC Faixa de saída, tensão da rede: V CA V CA Faixa de saída, freqüência da rede: f CA 59, HZ Eficiência Máxima efic.: η max 93 % Efic. na potência nominal: η max 91,3 % A Fig. (2) representa a eficiência do conjunto com os quatro inversores operando em paralelo. É possível observar da curva abaixo, que o conjunto de inversores tende a atingir o valor máximo de sua eficiência à medida que a potência CA fornecida pelo mesmo, aproxima-se a 50% da potência nominal constituída pela soma das potências dos quatro inversores (4 kw). Um outro fator também importante de ser observado é que a perda de eficiência devido a operação com potências CA próximas ao valor nominal é inferior a 2,5%. Esses aspectos são extremamente importantes no que se refere à qualidade do fornecimento, em função da maior ou menor perda de potência a eles associados. Efic. total dos inversores Efic.[%] PCA / PCAnom [%] Fig. 2 Curva de eficiência medida, para o sistema com os quatro inversores operando em paralelo e sua respectiva linha de tendências. 4. Resultados obtidos da monitoração do SFCR Para obtenção dos dados foram realizadas várias medidas, tanto na saída dos inversores individualmente como do conjunto constituído pelos 4 inversores trabalhando em paralelo. A Tab. (2) contêm a compilação das informações obtidas na saída dos inversores individualmente.

4 Tab. (2) - Dados obtidos da monitoração na saída de cada inversor individualmente (dia não útil). Inversor Tensão Corrente P CA V CA rms THD rms THD fund I rms THD rms THD fund (W) (V) (%) (%) (A) (%) (%) Nota-se que, para cada inversor em particular, os valores medidos estão dentro das especificações fornecidas pelo seu fabricante, a não ser para os valores inferiores a 370 W, onde se observa uma THD de corrente superior ao da Tab. (1), onde o fabricante garante uma THD de corrente inferior a 4%, desde que a rede elétrica forneça uma tensão com uma THD inferior a 2% e também desde de que a potência CA fornecida pelo inversor supere os 50% da capacidade nominal, o que não acontece para os valores experimentais anteriormente mencionados. No que se refere a operação do conjunto, as Tabs. (3a) e (3b), representativas de dias não útil e útil respectivamente, apresentam as informações obtidas na saída dos 4 inversores trabalhando em paralelo.

5 Tab. 3a Parâmetros monitorados no sistema operando com os 4 inversores em paralelo, dia não útil. Tensão Corrente P CA Freqüência V CA rms THD rms THD fund I rms THD rms THD fund (W) (Hz) (V) (%) (%) (A) (%) (%) Tab. 3b Parâmetros monitorados no sistema operando com os 4 inversores em paralelo, dia útil. Tensão Corrente P CA Freqüência V CA rms THD rms THD fund I rms THD rms THD fund (W) (Hz) (V) (%) (%) (A) (%) (%) A Fig. (3) mostra a forma de onda de tensão e o correspondente espectro harmônico no ponto de conexão com a rede elétrica, quando o sistema fornecia 3,73 kw, que foi o máximo valor de potência injetada na rede elétrica registrado pelas medidas, considerando os dados referentes ao dia não útil.

6 Fig. 3 - Forma de onda da tensão e seu respectivo espectro harmônico (THD = 1,82%). Observa-se da figura anterior, que a tensão de saída dos inversores aqui estudados são de boa qualidade, com baixo conteúdo harmônico, praticamente não introduzindo distorções a forma de onda da rede elétrica local, tendo em vista que o valor de 1,82 % é praticamente igual e muitas vezes inferior ao da THD fornecido pela rede elétrica local operando sem o SFCR. Por outro lado, no que se refere a variação de tensão nota-se a tendência, do sistema fotovoltaico, de compensar o nível da tensão no ponto de conexão. A Fig. (4), mostra a variação dos valores rms da tensão, na saída do conjunto constituído pelos 4 inversores em paralelo, onde se observa uma variação máxima positiva inferior a 3% do valor nominal (220 Vrms). Vale ressaltar que os valores apresentados na Fig. (4), foram obtidos em um dia não útil, no qual a carga do prédio era em quase todo o dia bem inferior à geração do sistema fotovoltaico. Variação rms da tensão - (dia não útil) V [rms] P CA [W] Fig. 4 Variação do valor rms da tensão (dia não útil). Pode se dizer então que nesta situação, a compensação de tensão proporcionada pelo sistema é benéfica, pois, se a tensão encontra-se dentro dos padrões (variação inferior +5 % - NBR 5410) nos dias de baixa carga, então, ela certamente estará dentro destes limites, nos dias em que a carga for maior, compensando a queda de tensão devido ao aumento de carga nos dias em que o prédio tiver consumo mais elevado. Esse último aspecto pode ser melhor observado através da Fig. (5) que ilustra o comportamento da tensão em um dia útil.

7 Variação rms da tensão - (dia útil) V [rms] P CA [W] Fig. 5 Variação do valor rmsrms da tensão (dia útil). Nota-se que para o maior valor de potência monitorado nessa situação (4,31 kw), o valor rms da tensão não ultrapassa 225 V, mesmo sendo esse valor de potência injetada na rede 15,4 % superior ao maior valor de potência da Fig. (4) (3,73 kw). Um outro aspecto importante que deve ser salientado da Fig. (5) está relacionado com o maior grau de variação da tensão rms em relação a um dia não útil. Isso se deve basicamente a maior freqüência de entrada e saída de cargas como máquinas de xerox, computadores, aparelhos de condicionamento de ar e outros, juntamente com as possíveis variações da radiação solar incidente no plano dos arranjos fotovoltaicos. Por outro lado, considerando-se um sistema residencial, onde capacidade de geração do sistema fotovoltaico conectado a rede elétrica de baixa tensão foi projetada de tal modo que a geração anual de eletricidade do sistema seja igual ou superior ao consumo anual de eletricidade da residência, os aspectos mencionados no parágrafo anterior tornam-se bem diferentes. Devido ao perfil de carga desse tipo de consumidor ser constituído por picos durante a noite e carga leve durante o dia, a geração do sistema fotovoltaico é maior que o consumo da residência ou habitação durante o período diurno. Dessa forma, se um grande número de sistemas fotovoltaicos residenciais são conectados ao sistema de distribuição, os fluxos reversos de potência proveniente desses sistemas podem proporcionar o crescimento da tensão e ultrapassar o limite superior aceitável. Alguns estudos nesse sentido podem ser encontrados em (Okada et all, 2002 e Ishikawa et all, 2002). É importante mencionar, que essa situação não é o caso do sistema em questão, onde a contribuição em termos de energia média mensal fornecida pelo sistema fotovoltaico não supera a cifra de 25 % do consumo mensal segundo Zilles et all (2002), e onde se tem o perfil de carga predominante diurno. No que se refere à variação de freqüência, a Fig. (6) ilustra essa variação correspondente aos valores de potências já mencionadas anteriormente. Pode-se observar que a freqüência praticamente não varia e se encontra dentro dos limites indicados pelo fabricante (Tab. (1)). Variação da frequência com a potência CA f [HZ] 60,5 60,4 60,3 60,2 60, ,9 59,8 59,7 59,6 59, P CA [W] Fig. 6 - Variação da freqüência da forma de onda da tensão fornecida pelo sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica.

8 Nota-se da Tab. (2) que para valores semelhantes de potência CA fornecida pelos inversores, a taxa de distorção harmônica de tensão entre estes são bem próximas e inferiores a 2 % em todas as situações levantadas. O mesmo não pode ser mencionado para a corrente, onde se têm algumas diferenças principalmente quando se refere a potências mais baixas. A Fig. (7), ilustra a forma de onda da corrente e o espectro harmônico na saída do inversor 4 com a menor potência CA registrada no ponto de conexão com a rede elétrica local. Fig. 7 - Forma de onda da corrente e espectro harmônico, obtida na saída do inversor 4 para a potência de 213 W (THD = 8,55 %). Observa-se que, a THD para a forma de onda da corrente da figura anterior está acima dos limites admissíveis, fornecidos pelo IEEE e ilustrados na Tab. (4), quando se considera a relação de I SC / I D entre 0 e 50. Nota-se também, que essa distorção está bem acima da THD fornecida pelo fabricante, porém, deve-se mencionar que: a tensão fornecida pela concessionária local já possui um conteúdo harmônico inerente da própria rede que é superior, em muitas situações, ao máximo de 2 % requerido pelo fabricante do inversor (Tab. (1)); Um outro aspecto a ser ressaltado, é que esses valores elevados de distorção registrados aqui, ocorrem para potências bem inferiores à potência nominal dos inversores, o que torna seus efeitos pouco relevantes. Tab. 4 Limites admissíveis de distorção harmônica de corrente 2. I SC / I D h<11 11<=h<17 17<=h<23 23<=h<35 35<=h THD (%) Vn < 69 kv < > As Figs. (8) e (9) ilustram as formas de onda da corrente para os valores máximos e mínimos de THD registrados para o sistema, os quais praticamente coincidem com os valores mínimos e máximos de potência CA registrados durante a monitoração do dia não útil. 2 IEEE Recommended practice and requirements for harmonic control in electrical power systems; I SC - corrente de curto circuito no ponto de acoplamento (PCA); I D - valor eficaz da máxima corrente de demanda (15 ou 30 min); Valores para harmônicas impares (p/ harm. Pares, 25 % dos valores da tabela).

9 Fig. 8 Forma de onda e espectro harmônico da tensão correspondente ao dia não útil na potência de 514 W. Fig. 9 Forma de onda e espectro harmônico da tensão correspondente ao dia não útil na potência de W. Com o intuito de ilustrar melhor o comportamento da THD de tensão e corrente referentes a Tabs. (3a) e (3b), foram traçados gráficos relacionando cada um desses parâmetros com a potência CA entregue pelo sistema fotovoltaico, tal como mostram as Figs. 10(a) e 10(b). Dessas figuras, é possível visualizar melhor os aspectos já mencionados anteriormente.

10 Variação da THD fund com a potência THD fund [%] 28 Tensão Corrente P CA [W] (a) Dia não útil. Variação da THD fund com a potência Tensão Corrente THD fund [%] P CA [W] (b) Dia útil Fig. 10 Variação de THD com a potência CA injetada pelo sistema na rede elétrica local. Da Fig. (10b) é possível observar um aumento na THD de corrente devido ao aumento do uso de cargas não lineares; porém nota-se que para valores de potência injetados superiores a 50 % da potência nominal do sistema, aproximadamente 2 kw, há a tendência de se atender as especificações fornecidas pelo fabricante dos inversores, mesmo se constatando valores de THD de tensão superiores a 2,5 %, com o sistema fotovoltaico desconectado. Um outro aspecto importante é que os valores de THD da tensão fornecidos pelo sistema fotovoltaico para os vários valores de potência aumentaram; porém mantiveram-se inferiores aos 3 %, ilustrando a boa qualidade do serviço e mostrando que o problema do aumento da THD da corrente é problema da carga e não da geração. 5. Conclusões Este artigo mostra a qualidade do fornecimento do sistema fotovoltaico conectado à rede aqui estudado, principalmente quando se refere aos valores de potência produzidos pelo sistema fotovoltaico, que são superiores a 50% da potência nominal dos inversores, onde foi possível observar através deste estudo, os menores valores de THD de corrente. No entanto, não se deve esquecer que o aumento de potência injetada na rede elétrica de baixa tensão proporciona um aumento do nível de tensão da rede, que neste caso em particular pode ser considerado benéfico. Contudo, em outras situações essa característica pode se tornar um problema, dependendo da relação entre

11 a capacidade de geração e consumo, bem como o perfil desse consumo e do ponto da rede ao qual o sistema está conectado. Por outro lado, sistemas fotovoltaicos conectados a rede elétrica com unidades de controle automático de tensão, podem regular o nível da tensão a custo da supressão da energia elétrica gerada, porém essa medida tenderá a encarecer ainda mais o custo da energia gerada em função da perda de energia causada por este controle e também pela compra e instalação de mais elemento que irá se integrar ao sistema. Daí a importância de se ampliar os estudos nessa área de atuação, com o intuito de se ganhar experiência e conhecimento para lidar com uma situação de compensação de tensão que não pode ser totalmente controlada, uma vez que ela dependerá dos fenômenos meteorológicos associados à variação da radiação solar incidente. 7. Referências Ishikawa, T., Kurokawa, K., Okada, N., Takigawa, K., 2002, Evaluation of operation characteristics in multiple interconnection of PV system, Published by Elsevier Science B.V., Solar Energy Materials & Solar Cells, SOLMAT: 2654, pp Okada, N., Takigawa, K., 2002, A Voltage regulation method for dispersed grid connected PV systems under highdensity connection, Published by Elsevier Science B.V., Solar Energy Materials & Solar Cells, SOLMAT: 2666, pp Zilles, R., Oliveira, S. H., Burani, F. G. F., 2002, Distributed Power Generation With PV System at USP, IEEE / T&D, Latin-American. 8. Direitos autorais Os autores são os únicos responsáveis pelo material impresso incluído neste artigo. ENERGY QUALITY OF DISTRIBUTED GENERATION WITH PV GRID- CONNECTED SYSTEMS AT USP: Evaluation of supply parameters Abstract. The paper present results obtained from the evaluation of the parameters regarding energy quality, supplied by the 6.3 kwp grid connect PV system, installed in the building administration of the Electrotechnical and Energy Institute of São Paulo University, IEE-USP. The results obtained show the need to perform systematic studies to get experience and background to work with the possible problems and benefits that this kind of installation can provide to electric grid. Keywords. Power Quality, Grid-Connected PV System, Distributed Generation, Operation Characteristic, Active and Reactive Power Control.