Estudo do impacto da geração solar fotovoltaica na qualidade de energia

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1 Estudo do impacto da geração solar fotovoltaica na qualidade de energia Márcio Melquíades Silva Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Departamento de Eletrônica e biomédica Av. Amazonas, 5253 Belo Horizonte MG. Manuel Losada y Gonzalez, Eduardo N. Cardoso, Selênio Rocha Silva. Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Elétrica, Av. Antônio Carlos, 6627 Bloco 1 Escola de Engenharia Campus Pampulha - Belo Horizonte Minas Gerais. Márcio Eli Souza, Bruno Marciano Lopes. CEMIG Distribuição SA Av. Barbacena, Belo Horizonte Minas Gerais. Resumo Este artigo 1 apresenta um estudo sobre qualidade de energia realizado na linha de distribuição de Média tensão que atende ao Estádio do Mineirão em Belo Horizonte, onde está instalada uma usina solar fotovoltaica de 1,4 MW com inversores monofásicos. Além da medição da linha, formam realizadas medições simultâneas na usina. Os resultados mostram que a usina não prejudica a qualidade de energia. Entretanto, no caso estudado, como a potência da usina equivale, em alguns momentos, ao consumo do estádio, há apenas fluxo de componentes harmônicos de corrente e de potência reativa na linha, resultando em elevadíssimos valores de distorções harmônicas de corrente, com baixos valores de distorções harmônicas totais de demanda. Palavras-chaves Usina solar fotovoltaica, qualidade de energia, distorções harmônicas, variações de tensão. I. INTRODUÇÃO A demanda mundial de energia elétrica vem crescendo continuamente, acompanhando o desenvolvimento econômico e industrial. No Brasil, este crescimento nos últimos anos foi bastante significativo. No quinquênio , o consumo médio per capita teve um aumento de 4,7%. Já em 2013 o crescimento foi de 3,7% e em 2014, segundo dados da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), o índice registrado foi de 2,2% [1], [2] Tradicionalmente, a matriz elétrica brasileira era fortemente dependente da energia proveniente de usinas hidrelétricas. Porém, nos últimos anos, este cenário vem mudando. Enquanto em 2009 as usinas hidrelétricas representavam 78,9%, em 2014 este percentual ficou em torno de 68%. Com a saturação da malha hidroviária nacional, a implantação de grandes usinas nos rios brasileiros foi drasticamente reduzida, implicando, por conseguinte, em um crescimento no número de usinas térmicas e eólicas. Neste contexto, registra-se um crescimento também da geração solar fotovoltaica, impulsionada pela diminuição dos custos de produção aliada ao avanço tecnológico do setor. Um marco para este tipo de fonte foi o primeiro leilão de energia solar do Brasil ocorrido no final de outubro de Este trabalho foi financiado pela Cemig, através do Projeto ANEEL/CEMIG No (Projeto estratégico: Arranjos Técnicos e Comerciais para inserção da Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira). Neste leilão foram contratados 31 projetos, totalizando 890 MW, a um preço de U$ 87,00 / MWh. Este preço foi um dos mais baixos para energia solar no mundo [3]. Diversos estudos têm sido realizados através de medições e simulações com o objetivo de avaliar o impacto desta tecnologia na qualidade de energia, sendo que alguns estudos realizados em outros países indicam piora na qualidade de energia devido à inserção de usinas solares [4], [5], [6]. Entretanto há pouca experiência e penetração deste tipo de fonte de energia no Brasil. Em 2012 estimava-se que havia no Brasil cerca de 20MW de capacidade de geração fotovoltaica instalada. Porém, 99% destes sistemas eram destinados ao atendimento de sistemas isolados e remotos [7]. Há, portanto, a tarefa de avaliar os impactos dessas fontes no sistema elétrico. Neste artigo é apresentado um estudo de caso realizado na usina solar fotovoltaica (USF) do Mineirão em Belo Horizonte, onde são avaliados os impactos desta usina na qualidade de energia na linha de distribuição subterrânea (LDS) que atende ao estádio, a partir da subestação da concessionária (CEMIG). A. A USF Mineirão Inaugurado em 1965, o Estádio Governador Magalhães Pinto, o Mineirão, está localizado na região da Pampulha em Belo Horizonte, possuindo uma capacidade de público atual de pessoas. O Estádio integra-se ao conjunto arquitetônico da Pampulha e, por isso, sua fachada é tombada pelo Conselho do Patrimônio Histórico de Belo Horizonte. O Estádio foi escolhido para ser uma das sedes da copa do Mundo FIFA Para isto, passou por uma ampla reforma, quando foi construída em sua cobertura uma USF pela CEMIG. A USF possui 5910 painéis de silício policristalino de 240 Wp cada, totalizando 1,42 MWp e 88 inversores de 15 kw/380v, com uma potência instalada em inversores de 1,32 MW [8]. Estes foram ajustados para trabalhar com fator de potência unitário. Devido às restrições de interferência na fachada do estádio, os painéis não puderam ser elevados, o que os tornariam visíveis a um observador externo, ficando assim sujeitos a sombreamentos durante algumas horas do dia em razão da existência de vigas invertidas distribuídas em toda a cobertura do Estádio. Para minimizar os efeitos destes sombreamentos na geração de energia elétrica, optou-se por arranjos por fase e, consequentemente, na instalação de inversores monofásicos. Os inversores são da marca Ingecon

2 Sun Smart 15 TL, fabricados pela Ingeteam e apresentam as seguintes características básicas: Potência nominal: 15kW; Número de MPPTs: 3; Tecnologia de conversor: transformerless; Tipo de sistema: operam em redes trifásicas a quatro fios (necessitam de neutro); Podem injetar correntes desequilibradas (sequência positiva, negativa e zero). Apesar dos projetos preverem a distribuição equilibrada dos painéis por inversor e por fase, o sombreamento poderia causar algum desequilíbrio na geração de energia, uma vez que o nível de sombreamento varia em função do horário e da posição relativa do sol durante o dia e o ano. O fornecimento de energia elétrica do estádio é feito através de duas LDS exclusivas de 13,8 kv que o interligam diretamente às subestações da concessionária. Entretanto, somente uma LDS fica conectada diretamente ao estádio. A segunda somente é conectada se houver problemas na primeira LDS, chamada aqui de LDS principal. Esta LDS principal tem cerca de 4 km de comprimento. Nela está conectada, portanto, a USF Mineirão e as cargas do próprio estádio. O estádio possui 5 subestações internas com uma carga total instalada de 6,5MVA e uma demanda máxima de 4,8MW [9].Na USF, há duas subestações (SE) elevadoras, cada uma com um transformador de 750 kva (380V / 13,8kV/) em ligação triângulo / estrela-aterrada. São conectados exatamente 44 inversores em cada uma das SE s, que são identificadas em função da sua localização como SE Norte e SE Sul. B. Equipamentos e metodologia Foram realizadas medições em diversos pontos internos da USF, na conexão da USF com a rede e na subestação da concessionária. Não foram realizadas medições das cargas do estádio por dificuldades de acesso. As medições foram simultâneas em até oito locais diferentes. No diagrama unifilar da Fig. 1 são mostradas as indicações dos locais onde foram realizadas as medições. Devido às limitações de espaço neste artigo, são mostrados apenas resultados das medições nas 2 subestações da USF, no ponto de conexão da USF com a LDS e na SE da concessionária. Para as medições foram utilizados oito analisadores de qualidade de energia FLUKE 435 série II em diversos locais na USF e também na SE da concessionária, durante 30 dias consecutivos, entre os meses de outubro e novembro de Os medidores utilizados atendem aos requisitos previstos no módulo 8 do PRODIST [10] a saber: possuem classe de exatidão de 0,1% de tensão e de 0,5% para a corrente, taxa amostral de 500 amostras por ciclo e conversor analógico digital de 16 Bits. Estes medidores realizam medições de diversos parâmetros elétricos de tensão, corrente e potência. Os medidores podem ser sincronizados, utilizando o GPS 430 para sincronização de tempo. Este acessório é conectado ao medidor e por meio de uma antena e de sinais de satélite, ajusta automaticamente o seu horário, fazendo o sincronismo entre todos os medidores. Entretanto, o baixo comprimento do cabo da antena não permitiu a verificação e ajuste durante todo o período de medição. Porém, como o período de medição não foi muito longo, o ajuste foi feito manualmente e não foram observadas diferenças significativas de horário nos diversos medidores. As grandezas principais medidas foram registradas em intervalos de integração de 1 minuto: potência ativa, reativa e aparente; tensão; corrente; fator de potência; distorção harmônica total de tensão (DHT-V) e distorção harmônica total de corrente (DHT-I); harmônicos de tensão e de corrente (pares até 14º ordem e impares até 49º ordem) com ângulos de fase e outros indicadores de qualidade como afundamentos e flutuações de tensão. As flutuações de tensão são conhecidas como flicker (cintilamento). A severidade desta cintilação é uma representação quantitativa do incômodo visual percebido pelas pessoas expostas ao fenômeno de cintilação. Estas flutuações além de causar desconforto visual podem ocasionar mau funcionamento de alguns equipamentos elétricos e podem ser provocadas por flutuações de potência devido a variações e cargas e de potência de geradores [6]. Neste trabalho são avaliados os indicadores de severidade de curta-duração (Pst) que representam os níveis de cintilação associados à flutuação de tensão verificada num período contínuo de 10 minutos e aqueles de longa-duração (Plt) que representam os níveis de cintilação associados à flutuação de tensão verificada num período contínuo de 2 horas. Além dos valores medidos, é calculada também a distorção de demanda total (TDD). Este indicador é semelhante a DHT-I, porém é calculado considerando a corrente fundamental para situações de carga máxima, conforme eq. 1. TDD = h=2 I h 2 I (1) L onde I L é o valor da corrente fundamental para a situação de carga (ou demanda) máxima. II. MEDIÇÕES Fig. 1 - Diagrama unifilar da USV e rede da concessionária. O nível de radiação solar na USF é determinante na potência gerada pela usina. A realização de jogos no estádio também modifica significativamente o fluxo de potência

3 demandada na LDS. Ao longo das medições, foram observadas diversas situações, com maior ou menor geração de energia e com consumo variado no estádio. Em razão destas circunstâncias, optou-se pela análise de harmônicos em 4 cenários distintos: 1) Plena geração; 2) Sombreamento parcial; 3) Sombreamento intenso e 4) Sombreamento parcial e alto consumo do estádio. Durante todo o período analisado somente o LDS principal esteve ligado. Não foi observada nenhuma variação na operação dos equipamentos durante o período de medições. A. Análise de harmônicos com plena geração Na Fig. 1 são mostrados os resultados das medições realizadas na SE Norte da usina. Neste e em todas as demais medições, potência negativa refere-se à potência gerada. Os inversores são ajustados para injetar corrente com fator de potência unitário. A geração inicia após 6h00 (quando o dia começa a ficar claro) e continua até 17h30 (quando o dia começa a ficar escuro), chegando a um pico de 175 kw por fase no período de medição mostrado na Fig. 2 (a). Percebese o bom equilíbrio de fases na geração. Nos demais períodos, há um pequeno consumo nos inversores (1 kw por fase). Nos momentos de transição entre geração e consumo, a DHT-I é elevada como mostrado na Fig. 2 (b), divido a baixa corrente fundamental. Para avaliar melhor os níveis de distorção de corrente, foi calculada a TDD, considerando a corrente fundamental para demanda máxima no período em estudo. Percebe-se na geração que a TDD é inferior a 2%, conforme mostrada Fig. 2 (c). Neste período de medição, apesar de não haver variações bruscas de potência, percebe-se variações constantes na TDD na faixa entre 1 e 2%. Não foram observadas estas variações nas DHT-V de tensão em nenhuma das medições. Fig. 3- Potência, DHT-I e TDD na SE sul. Na Fig. 4 são mostrados os resultados da medição no ponto de conexão da usina com a LDS e o Estádio. Esta medição foi feita já em média tensão. Fig. 4- Potência, DHT-I e TDD na conexão da usina. Fig. 2 - Potência, DHT-I e TDD na SE Norte. Na Fig. 3 são mostrados os resultados da medição na SE sul da usina. Esta SE também possui o mesmo número de inversores da SE norte. Os resultados das medições foram semelhantes aos da SE norte, sendo a geração máxima de 165 kw por fase no período mostrado, conforme Fig. 3 (b). Percebe-se também uma TDD ligeiramente maior nos horários de maior geração, devido a menor corrente fundamental na LDS, conforme apresentado na Fig. 3 (c). A potência total máxima injetada pela usina na rede nesta medição foi de 1 MW e o consumo durante o período noturno da usina foi de 15 kw devido aos equipamentos eletrônicos instados na USF e aos transformadores. Percebe-se também a elevação da DHT-I no momento de transição entre geração e consumo. A TDD neste ponto foi ligeiramente inferior a TDD medida nas SEs devido à atenuação dos harmônicos de sequência zero nos transformadores. Na Fig. 5 são mostrados os resultados de medição no ramal que atende ao estádio, na SE da concessionária. Nesta LDS estão ligadas, além da usina, também as cargas do estádio. Nos dias que foram realizadas as medições da Fig. 5 não houve jogos no estádio. Neste ramal, a medição de potência positiva indica fluxo de potência da concessionária em direção ao estádio. Potência negativa indica fluxo de potência do estádio para a rede. A potência máxima gerada pela usina foi de aproximadamente 100 kw (por fase) superior ao consumo do estádio, sendo então parte deste valor injetado na rede conforme pode ser visto na Fig. 5 (a). A potência gerada é superior ao consumo do estádio no intervalo entre 9h00 e 15h00, com injeção de potência na rede. Nos demais horários, a rede fornece potência ao estádio. Como a usina não gera reativos, mesmo nos momentos de plena geração, há fluxo de potência reativa no ramal.

4 DHT-I e da TDD é reduzido, indicando que as cargas do estádio são a principal fonte de harmônicos neste ramal e não a USF. Fig. 5 - Potência, DHT-I e TDD na LDS - SE da concessionária. Nesta medição percebe-se também que nos momentos de transição entre geração e consumo há picos da DHT-I conforme pode ser visto na Fig. 5 (b). Estes picos ocorrem não porque há elevação dos harmônicos injetados pela UFV e uma redução acentuada da corrente fundamental por não haver fluxo de potência ativa. Assim a TDD calculada foi sempre inferior a 20% conforme pode ser visto na Fig. 5 (c). B. Análise de harmônicos com sombreamento parcial Fig. 7 - Potência, DHT-I e TDD na LDS - SE da concessionária sombreamento em alguns momentos. C. Análise de harmônicos com sombreamento intenso A situação de sombreamento intenso foi observada somente durante um dia de medição e é mostrada na Fig. 8. Nesta situação foi mantido o equilíbrio de fases na geração e a potência gerada foi baixa, conforme pode ser visto na Fig. 8 (a). A DHT-I também foi baixa com picos no momento de baixa geração, conforme a Fig. 8 (b). A TDD calculada foi ligeiramente superior devido à baixa demanda máxima utilizada no cálculo conforme a Fig. 8 (c). Para este e os próximos cenários, serão mostrados apenas os resultados de medições em dias com sombreamento parcial devido às limitações de espaço neste artigo. Devido à existência de sombreamentos causados por nuvens sobre a usina, em alguns momentos, a geração promove interrupções bruscas no fluxo de potência como pode ser visto na Fig. 6. Entretanto este sombreamento não implica em alterações na injeção de harmônicos da usina na rede como pode ser observado na Fig. 6 (b) e (c). Fig. 8- Potência, DHT-I e TDD na conexão da usina sombreamento intenso. Na SE da concessionária, devido à baixa geração, não houve injeção de potência como pode ser visto na Fig. 9 (a). Neste cenário não são percebidas variações significativas de DHT-I ou de TDD, conforme pode ser observado na Fig. 9 (b) e (c). Fig. 6- Potência, DHT-I e TDD na conexão da usina sombreamento em alguns momentos. Na Fig. 7 são mostrados os resultados de medição no ramal, na SE da concessionária. Percebe-se que as variações bruscas de geração resultaram em variações também bruscas no fluxo de potência como mostrado na Fig. 7 (a). Devido ao sombreamento parcial, houve, em diversos momentos, fluxo de potência ativa próximo de zero no ramal, resultando em elevados valores de DHT-I conforme a Fig. 7 (b) O valor da TDD médio não foi elevado como pode ser visto na Fig. 7 (c). Na Fig. 7 (a) é mostrado, em destaque, um instante de desligamento do estádio. Nesta situação, toda a potência produzida pela UFV foi injetada diretamente na rede. Percebe-se pela Fig. 7 (b) e (c) que, nesta situação, o valor da Fig. 9 - Potência, DHT-I e TDD na SE da concessionária usina sombreamento intenso.

5 D. Análise de harmônicos com sombreamento parcial e alto consumo do estádio Na Fig. 10 são mostrados os resultados das medições na USF em dois dias úteis consecutivos. No período, houve a realização de um jogo de futebol à noite no estádio. Com isto, houve uma elevação acentua de demanda já no período da tarde. Neste cenário, não houve injeção de potência da USF na rede da concessionaria. E. Análise da frequência Na Fig. 12 são mostrados os resultados de medições de potência total, frequência e tensão na SE do estádio e na SE da concessionária, medidas durante 4 dias consecutivos. Percebe-se uma pequena faixa de variação da frequência, normalmente observada neste tipo de medições [11] e também sem correlação com os horários de maior geração. Fig. 10- Potência, DHT-I e TDD na conexão da usina Dia de jogo no estádio. Na Fig. 11 são mostrados os resultados da medição na SE da concessionária em um dia de jogo no estádio. Apesar do jogo ser realizado a noite, percebe-se que houve uma elevação da potência consumida pelo estádio ainda durante o dia e com pico de consumo a noite. Assim, não houve injeção de potência da USF na rede e, durante o período de geração da USF, a demanda do estádio foi praticamente igual à geração. Sendo assim, foram registrados longos períodos de elevada DHT-I conforme a Fig. 11 (b). Porém, como a corrente de demanda máxima foi elevada, a TDD foi baixa como mostrado na Fig. 11 (c). Fig. 12- Potência e frequência da tensão na SE da usina e na SE da concessionária. F. Análise de flutuações de tensão Observando a Fig. 12 (c) não se percebe variações na tensão associadas a operação da USF. As flutuações de tensão foram analisadas para períodos de 7 dias consecutivos. Foram avaliados valores medidos de Pst e Plt na subestação da concessionária. Na Fig. 13 são mostrados os resultados das medições para um período de baixa incidência de nuvens na USF. Fig. 13- Potência, PST e PLT na SE da usina e na SE da concessionária. Fig. 11- Potência, DHT-I e TDD na conexão da USF Dia de jogo no estádio. Na Fig. 14, são mostrados os resultados para um período com incidência esporádica de nuvens. Neste segundo cenário, percebe-se uma maior variação da potência injetada pela usina na rede. Percebe-se, ainda, que apesar de haver picos

6 indicando flutuações de tensão, estas não ocorrem somente nos momentos de geração, não podendo ser, portanto, associadas à USF. A quantificação das oscilações de tensão é calculada através dos indicadores de probabilidade acumulada, mostrados na Fig. 15. Pela figura percebe-se que o percentil 95 de Pst e da Plt não indicam violação dos valores. Foram realizadas medições no ponto de conexão da usina com a rede e na saída do alimentador na SE da concessionária. Em diversos momentos, a demanda do estádio foi próxima da potência gerada pela usina. Isto resultou em um baixo fluxo de potência no ramal da concessionária. Nesta situação, houve registro de valores elevados de DHT-I, porém valores baixos de TDD. Ainda assim, verificou-se que as cargas do estádio injetam mais harmônicos na rede que a própria usina. Por isto, a USF mostrou não ser uma fonte importante de harmônicos na rede. Não foram também observadas variações significativas de frequência devido à USF. A incidência, em alguns momentos, de sombra sobre os painéis solares provocaram oscilações importantes na potência gerada. Todavia, estas oscilações não provocaram flutuações ou variações de tensão significativas na rede da concessionária. De forma geral, nesta instalação, e, para os casos estudados, a USF não mostrou ser uma fonte importante de distúrbios. IV. REFERÊNCIAS Fig. 14- Potência, PST e PLT na SE da usina e na SE da concessionária com sombreamento esporádico. Fig. 15 Frequência de ocorrência dos indicadores Pst e Plt para SE da concessionaria. [1] EPE - Empresa de Pesquisa Energética, "Anuário estatístico de Energia Elétrica 2013," Brasília, [2] EPE - Empresa de Pesquisa Energética, "Resenha Mensal do Mercado de Energia Elétrica," Rio de Janeiro, Jan / [3] BLOOMBERG, "Energia solar estréia no Brasil com grande contratação a preço recorde," São Paulo. Disponível em. Acesso em 01/02/2015, [4] Munirah Ayub, Chin Kim Gan, and Aida Fazliana Abdul Kadir, "The Impact of Grid-Connected PV Systems on Harmonic Distortion," IEEE Innovative Smart Grid Techonologies, pp , [5] Xiangjing Su, Masoum M.A.S., and P. Wolfs, "Comprehensive optimal photovoltaic inverter control strategy in unbalanced three-phase four-wire low voltage distribution networks," Generation, Transmission & Distribution, IET, pp , [6] S.V. Swarna Kumary, V.Arangarajan Aman Maung Than Oo, Alex Alex Stojcevski, and GM Shafiullah, "Modelling and Power quality analysis of a Grid-connected Solar PV System," IEEE AUPEC 2014, pp. 1-6, [7] EPE - Empresa de Pesquisa Energética, "Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira," Rio de Janeiro, [8] Alcy Monteiro Júnior, "Modelagem da Usina Fotovoltaica Do Estádio do Mineirão para Estudos de Propagação Harmônica. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais.," [9] Secretaria de Estado de Planejamento e Gestão de MG. (2010) Portal de Compras do Estado de Minas Gerais. [Online]. " [10] ONS, "Procedimentos de Rede, Submódulo 2.8 e 3.6. Gerenciamento dos indicadores de desempenho da rede básica e de seus componentes, Revisão 1.1," [11] Márcio Melquíades Silva, Marcos Fernando Santos, Alcy Monteiro Júnior, Selênio Rocha Silva, Manuel Losada y Gonzalez, "A Qualidade da Energia Elétrica Durante os Jogos da Copa do Mundo FIFA 2014 em Belo Horizonte," in INDUSCOM 2014, Juiz de Fora, 2014, p. 5. III. CONCLUSÕES Neste artigo foram mostrados os resultados de medições de indicadores de qualidade de energia na USF Mineirão.