Mateus Duarte Teixeira Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento

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1 XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri SENDI a 10 de novembro Curitiba - PR - Brasil Mateus Duarte Teixeira Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento mateus.teixeira@lactec.org.br Pedro Augustho Biasuz Block Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento pedro.block@lactec.org.br Fábio Sester Retorta Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento fabioretorta@hotmail.com Antônio Roberto Donadon CPFL PIRATININGA donadon@cpfl.com.br João Carlos Camargo Ronaldo A. Roncolatto joao.carlos@hytron.com.br ronaldo.ant@ig.com.br Henry L. Lopez Salamanca Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento henry@lactec.org.br Análise da Qualidade de Energia de um Sistema Fotovoltaico em Larga Escala Palavras-chave Distorção harmônica Fator de potência Geração fotovoltaica Inversores de frequência Qualidade de energia Radiação solar Resumo Este trabalho apresenta os resultados e análises de medições de qualidade de energia realizadas em um sistema fotovoltaico de grande escala. O sistema de avaliação é um sistema fotovoltaico centralizado 1 MVA com diferentes tecnologias de painéis fotovoltaicos e inversores. As medições de qualidade da energia foram realizadas em conformidade com o PRODIST e recomendações internacionais. Foram medidos valores de tensão, corrente, potência, fator de potência, desequilíbrio e distorção harmônica. Além disso, com os resultados das medições foi avaliado o comportamento dos inversores em diferentes situações de demanda de potência. Fato importante obtido foi que a resposta dos inversores para períodos de baixa geração de energia foi pior do que durante períodos de alta geração de energia. No sistema fotovoltaico, os períodos de baixa potência ocorrem ao amanhecer e ao pôr do sol. Ao longo destes períodos pode ser constatado alta distorção harmônica de corrente e baixos níveis de fator de potência. Os resultados e as análises apresentadas neste trabalho contribuem com a avaliação do impacto dos sistemas fotovoltaicos em grande escala sobre a qualidade da energia da rede elétrica e o comportamento dos inversores comerciais. 1/11

2 1. Introdução A partir do final do século passado, a importância e a utilização de fontes de energia renováveis têm ganhado destaque, devido não só pela redução da dependência de combustíveis fósseis, mas principalmente por razões ambientais relacionadas com as alterações climáticas e os efeitos para a humanidade (por exemplo, o Protocolo de Quioto). Consequentemente, a energia solar vem despertando interesse em diversos países por ser uma tecnologia considerada limpa, com reduzido impacto ambiental [1]. Com a crescente inserção da energia fotovoltaica e geração de energia distribuída, em muitos países, foram criadas políticas dirigidas para aumentar a utilização destas tecnologias. Por esta razão, as pesquisas estão sendo promovidas para avaliar os impactos de sistemas fotovoltaicos no sistema de energia elétrica, especialmente distúrbios relacionados a qualidade de energia, regulação de tensão e proteção do sistema. No que diz respeito à qualidade da energia, o impacto de sistemas fotovoltaicos para a distorção harmônica de tensão foi o foco de vários estudos [2-6] e merece atenção especial. A distorção harmônica de um sistema de PV depende da tecnologia do inversor, da radiação solar, temperatura do painel, carga e as características do sistema de alimentação [4]. De acordo com [7], a distorção de harmónica em plantas fotovoltaicas pode ser resultado de efeitos intrínsecos e extrínsecos à própria planta. Distorções harmônicas intrínsecas estão relacionadas com deficiências no inversor, por exemplo, má qualidade de componentes, não-linearidades no sistema de controle, imprecisões da medição e baixa resolução do sistema de geração de pulsos PWM. Efeitos extrínsecos na forma de onda de um sistema fotovoltaico incluem os efeitos de conexão a uma rede elétrica fraca e distorcida. Uma tensão distorcida age como uma perturbação no sistema de controle do inversor, provocando distorção na forma de onda da corrente gerada pelo inversor. Assim, este trabalho está focado na análise do impacto sobre a qualidade de energia de uma usina fotovoltaica de 1 MWp ligada ao sistema de distribuição de média tensão da CPFL. Os resultados são comparados com os valores limites impostos pela regulamentação brasileira, PRODIST Módulo 8 [8]. 2. Desenvolvimento 2.1. Usina Solar Fotovoltaica Tanquinho A usina solar objeto do presente trabalho trata-se da Usina Solar Fotovoltaica Tanquinho (USFT), localizada na cidade de Campinas/SP e de propriedade da CPFL Energia. Esta usina solar é resultado de um projeto de P&D ANEEL com fins ao desenvolvimento da inserção da fonte de geração fotovoltaica na matriz energética brasileira, possibilitando a análise da inserção técnico-comercial da energia fotovoltaica na rede, bem como análise da inserção de diferentes tecnologias e a integração da energia solar com a energia eólica. Para tanto, foi desenvolvido um projeto que possibilitase a mais variada integração entre tecnologias de painéis fotovoltaicos, sistemas de instalação, inversores dentre outros aspectos. A Figura 1 apresenta o projeto da USFT destacando seus principais subsistemas. 2/11

3 Figura 1 Projeto da Usina Solar Fotovoltaica Tanquinho Sistema 1: Painéis fotovoltaicos de Silício policristalino com estrutura móvel (1 eixo); Sistema 2: Painéis fotovoltaicos de Silício policristalino com estrutura fixa; Sistema 3: Painéis fotovoltaicos de Silício amorfo microcristalino com estrutura fixa; Sistema 4: Painéis fotovoltaicos de Silício amorfo microcristalino com estrutura fixa; Sistema 5: Aerogerador de 6 kw; Sistema 6: Smart Integration Centro tecnológico para avaliação da integração de 5 tecnologias de geração fotovoltaica, sendo elas BT 01 Silício policristalino 64 módulos 15 kwp; BT 02 Silício monocristalino 60 módulos 15 kwp; BT 03 Silício amorfo microcristalino 108 módulos 15 kwp; BT 04 Silício monocristalino 57 módulos 15 kwp;b T 05 Telureto de Cádmio 154 módulos 15 kwp. Os sistemas 1 e 2 constituem a chamada Planta 1, com uma potência instalada total de 499 kwp em 1782 módulos fotovoltaicos conectados à rede através de um inversor trifásico de potência igual a 500 kw. A agregação dos sistemas 3 e 4 constitui a Planta 2, esta com uma potência nominal de 511 kwp em 3600 módulos fotovoltaicos conectados à rede AC através de 50 inversores de 10 kw cada. A usina solar fotovoltaica Tanquinho está conectada ao sistema de distribuição em um alimentador de 11,9 kv através de 2 transformadores de potência de 500 kw cada. A Figura 2 apresenta um diagrama elétrico simplificado da referida usina. Para este trabalho, as avaliações feitas não incluíram o sistema Smart Integration o, por ser um sistema complexo de menor potência deverá ser tratado em trabalhos futuros. 3/11

4 Figura 2 Diagrama elétrico simplificado da usina solar fotovoltaica Tanquinho Campanha de medições Uma vez descrita as instalações objeto de estudo do presente trabalho, a fim de possibilitar a avaliação de impactos da usina solar fotovoltaica na rede de distribuição foram realizadas diferentes campanhas de medição em 4 pontos distintos da instalação. Estas campanhas de medição visam tanto avaliar impactos na qualidade de energia da rede de distribuição em que a usina está conectada, bem como diferenças na operação dos diferentes sistemas implementados na usina. Os 4 pontos de monitoração estão destacados na Figura 2, são eles: 1. PAC Ponto de acoplamento comum da usina com a rede de distribuição: permite a avaliação dos impactos na qualidade da energia elétrica devidos a operação da usina solar fotovoltaica Tanquinho; 2. QDCA-1 - Ponto de conexão dos 50 inversores de 10 kw referentes a Planta 2: possibilita a avaliação da qualidade da energia elétrica fornecida por diversos inversores de pequeno porte distribuídos; 3. QGBT-1 Ponto de conexão do inversor trifásico de 500 kw referente a Planta 1: possibilita a avaliação do desempenho de um inversor de grande porte no tocante da qualidade da energia elétrica. As campanhas de monitoração de qualidade da energia elétrica foram realizadas com equipamentos Classe A segundo a IEC [7] a fim de garantir a confiabilidade dos dados, bem como possibilitar a comparação entre as diferentes campanhas. Para a avaliação dos parâmetros de qualidade da energia elétrica das campanhas de monitoração realizadas foi utilizado como base o modulo 8 dos Procedimentos de Distribuição (PRODIST) da ANEEL [8]. Neste procedimento são determinados os indicadores de qualidade da energia elétrica tanto no que diz respeito a qualidade do serviço quanto na qualidade do produto. 4/11

5 Figura 3 Campanhas de monitoração realizadas na USFT. As avaliações presentes neste estudo estão focadas à qualidade do produto, desta forma os indicadores avaliados e seus respectivos limites de acordo com o PRODIST são apresentados na Tabela 1. Ressalta-se que os valores de referência apresentados no PRODIST módulo 8 referem-se ao PAC da instalação, no entanto no presente trabalho tais valores serão utilizados para avaliar parâmetros nos circuitos internos da instalação. Fator de potência FP = 0,92; Distorção harmônica de tensão total THDV = 10%; Desequilíbrio de tensão D = 2%; Variação na frequência 59,9? f? 60,1 Hz; Adicionalmente, visto que as distorções harmônicas de corrente não possuem valores de referência na normatização nacional, será utilizada como base a IEEE 519 [9] para avaliação destas distorções. Neste documento é utilizado para a avaliação das distorções harmônicas de corrente o indicador denominado de Total Demand Distortion - TDD, este indicador calcula as distorções harmônicas em percentual da corrente máxima de demanda da instalação. Os limites para o TDD são determinados em função da relação da potência de curto circuito da rede no ponto de conexão com a corrente máxima de demanda da instalação Principais resultados Uma vez apresentada as instalações da usina avaliada, bem como as principais características das campanhas de monitoração realizadas, o presente capítulo apresenta os principais resultados encontrados para cada ponto de medição. Primeiramente, serão mostrados os resultados pertinentes à tensão de alimentação do PAC, uma vez que é neste ponto que serão feitas as avaliações futuras da ANEEL. Em seguida para os pontos QGBT-1 e QDCA-1 serão avaliados aspectos mais específicos relacionados às tecnologias adotadas em cada ponto em questão. Para estes dois quadros as análises serão focadas num dia típico Resultados PAC A campanha de monitoração no Ponto de Acoplamento Comum (PAC) foi realizada durante um período de 7 dias consecutivos, com uma taxa de agregação de 10 minutos, totalizando 1008 amostras válidas. Ressalta-se que as amostras referentes a ocorrência de Variações de tensão de curta duração (VTCD) ou interrupções foram expurgadas 5/11

6 das análises. A Tabela 1 apresenta um resumo dos resultados desta campanha para os indicadores de tensão elétrica, apresentando os valores máximos, mínimos, médios e percentis 95 % (P95%). Tabela 1 Valores máximos, mínimos, médios e P95% para indicadores de tensão rms e DHTV (%) no PAC. Através dos resultados apresentados na Tabela 3 verifica-se que não houve impacto significativo, nem tampouco transgressão dos limites do PRODIST módulo 8 durante o período monitorado. Este comportamento é esperado visto que a USFT está conectada diretamente no barramento de uma subestação de grande porte, o que constitui uma rede muito forte do ponto de vista da qualidade da energia elétrica. Entretanto, estudos de conexão de sistemas de geração, conforme acontece com agentes conectados ao SIN, conforme estabelecido pela ONS RE /2008. A Figura 4 mostra o percentual de desequilíbrio de tensão no ponto de acoplamento da Usina Solar Tanquinho. Nota-se que não houve, em nenhum momento transgressão dos limites estabelecidos. Os valores são típicos das redes de distribuição de média tensão e se encontram abaixo do valor limite de 2 %. Figura 4 Desequilíbrio de tensão medido no PAC A Figura 5 mostra o comportamento da distorção TDD em função da corrente injetada no PAC. Nota-se que, assim como indicado pela literatura [4,5] para um único inversor, a distorção de corrente é fortemente dependente da corrente injetada pelo conjunto de inversores da usina. Os valores de TDD determinados ao longo do período de monitoração apresentam picos consideravelmente elevados durante os períodos de início e termino de geração de energia na USFT, ou seja, no início e no fim do dia. Estes elevados picos ocorrem em instantes de baixa corrente, no qual o ponto de operação dos inversores está fora do nominal. Neste caso o problema pode estar associado ao projeto do filtro de saída do inversor assim como ao controle do sistema gerador PWM. Todavia, frente ao montante da corrente injetada, os valores de 35 % de TDD não são relevantes para o sistema elétrico local. 6/11

7 Figura 5 Distorção total de demanda (TDD) e corrente injetada pela usina fotovoltaica no PAC A Figura 6 apresenta a variação do fator de potência da usina ao longo do período de monitoração. Os valores máximos se encontram próximo ao valor unitário. Já os valores mínimos, próximos a FP = 0,20, não possuem impactos significativos, uma vez que devem-se ao período noturno, em que não houve geração de energia para a rede. Figura 6 - Fator de potência medido no PAC Resultados QGBT-1 e QDCA-1 O Quadro QDCA-1 é o ponto de acoplamento dos quadros QDCA-2 até o QDCA-5 onde estão instalados 50 inversores de 10 kw cada um. A cada inversor estão conectados 72 painéis (24 strings c/3 painéis), de silício amorfo, com potência máxima de 142 Wp. A potência máxima no QDCA-1 é de 511 kwp, totalizada pela soma da potencia dos quadros QDCA- 2,3,4 e 5. Já o quadro QGBT-1 possui potência máxima de 498,9 kwp, calculada como a soma das potências dos 3 conjuntos de 594 painéis fotovoltaicos policristalinos, com potência de 280 Wp cada. Estes conjuntos são conectados ao inversor de 500 kw, sendo que dois conjuntos possuem sistema fixo, e um deles possuí sistema de seguimento (Tracking) por horário. 7/11

8 Sobre os estudos realizados, da mesma forma que para o PAC, as medições foram realizadas durante um período de sete dias consecutivos de forma a se ter 1008 pontos válidos para análise. Contudo, para fins de análise técnica, neste trabalho foi considerado somente um dia típico de medição. As Figuras 7 (a) e (b) apresentam a curva de irradiação solar no local e a curva de potência para um dia típico para cada um dos quadros em estudo, onde pode ser constatados, inclusive, a passagem de nuvens, pelos dados da irradiação solar monitorada na USFT. Figura 7 - Figura de irradiação solar e potência registrada. (a) quadro QDCA-1 (b) quadro QGBT-1 Observa-se que a curva de potencia registrada, em ambos os pontos medidos, apresenta um comportamento similar à curva de irradiação solar. Além disso, a máxima insolação registrada para os dias analisados foi menor que a insolação de 1000 W/m 2 o que explica o porquê a produção foi menor que a máxima prevista para os conjuntos (~500 kwp). A máxima potência registrada para o QDCA-1 foi de 343,6 kw, que equivale a 67,2 % da capacidade máxima enquanto a do QGBT-1 foi de 405,75 kw, que equivale a 81,32 % da capacidade máxima da planta. Desta forma, a partir dos dados dos painéis de ambas as plantas fotovoltaicas, e as irradiações medidas durante cada dia analisado, foi possível predizer que para a irradiação de 705,76 W/m 2 obtido na planta conectada através do QDCA- 1, a potência fornecida pelos 50 inversores, sem considerar a eficiência dos mesmos, foi de (7053,5x50) W = 352,68 kw equivalente a 69% da capacidade de potência máxima. Já a irradiação média máxima medida no dia de avaliação da planta conectada no QGBT-1 foi de 913,79 W/m 2, equivalente ao 91,3% da irradiação de 1000 W/m 2 usada para o cálculo da potencia pico máxima. Para ambos os casos a potência registrada está bem próximo aos valores medidos. A diferença de cerca de 10% obtida medida a menos no QGBT-1 pode estar associado à operação do sistema de tracking. Ademais,, nota-se que o sistema tracking não trouxe, até o momento, um benefício considerável para a geração de energia no QGBT-1, comparando com a planta conectada ao QDCA-1, onde todos os painéis são fixos. Sobre o fator de potência, o máximo valor medido nos quadros elétricos de conexão de ambas as plantas foi de 1,0. O valor mínimo encontrado foi de 0,02. A Figura 8 apresenta a variação do fator de potência em função da variação da potência ativa monitorada no QDCA-1, para um período especifico de 12 horas. 8/11

9 Figura 8 Variação do fator de potência em função da potência ativa. (a) quadro QDCA-1 (b) quadro QGBT-1. No que diz respeito às distorções harmônicas de tensão e corrente, muito embora se reconheça o fato de não haver maiores preocupações com estes indicadores pelos valores apresentados no PAC, os resultados apresentados nas figuras 9 (a) e (b) trazem algumas constatações interessantes sobre o comportamento da distorção harmônica de corrente fornecida por cada planta fotovoltaica. Figura 9 Comportamento da DHTI (%) e corrente num dia típico. (a) quadro QDCA-1 (b) quadro QGBT-1 Os valores máximos de DHTI (%) são observados nos horários em que a variação da potência em relação ao tempo, na saída do inversor apresenta seu maior valor, ou seja, no instante em que os painéis fotovoltaicos começam a fornecer potência ou deixam de fornecer, seguindo o comportamento da radiação solar diária. Observa-se que a partir do instante em que os painéis fotovoltaicos começam a fornecer potência ativa, em ambas as plantas, a distorção harmônica total de corrente diminui com o aumento da potência gerada. Este comportamento da geração harmônica é encontrado na literatura técnica [4, 5, 6] com valores de picos de distorção harmônica de corrente entre 60 % e 120 %. Considerando que os máximos valores de DHTI (%) medidos foram em instantes de baixa corrente, estes não representam grandes prejuízos para o sistema, fato constatado na análise do PAC. Também vale ressaltar que a precisão dos sensores de correntes para baixas correntes é limitada, uma vez que a potência dos quadros QDCA-1 e QGBT-1 é de aproximadamente 500 kw, e, portanto, foi utilizado uma escala maior no sensor de corrente. Para a melhor avaliação destes altos valores de DHTi (%) no início da geração do sistema fotovoltaico se faz necessário 9/11

10 um estudo especifico para os instantes de baixa potência, no qual é utilizado um sensor de corrente de maior precisão, de forma a quantificar com maior exatidão os valores de correntes harmônicas. De maneira geral, a elevada distorção de corrente (DHTI (%)) no início e final de cada período de sol, pouco influencia na distorção da tensão (THDV (%)) nestes momentos, como pode ser visto nas Figuras 10 e 11. Por fim, vale a constatação de que o inversor único de grande porte (QGBT-1) parece fornecer uma corrente menos distorcida do que os 50 inversores conjuntamente conectados ao QDCA-1 considerando um dia típico. Figura 10 Distorção total de tensão e corrente para o quadro QDCA-1 Figura 11 Distorção total de tensão e corrente para o quadro QGBT-1 3. Conclusões Este trabalho apresentou os resultados de medições de qualidade de energia realizadas em um sistema fotovoltaico de grande escala (1 MVA) pertencente à CPFL. Estes resultados contribuem significativamente para avaliar o impacto de sistemas fotovoltaicos centralizados na rede elétrica brasileira. A performance dos inversores em condições de geração durante um dia típico, bem como os impactos sobre a qualidade da energia foram analisados. O fator de potência e a corrente harmônica são os parâmetros destacados que excederam os limites estabelecidos pelas normas nacionais e internacionais. Estas irregularidades foram observadas principalmente ao amanhecer e ao pôr do sol, quando a geração 10/11

11 de energia foi no nível mais baixo. Muito embora os valores percentuais das distorções sejam significativos, em termos de impactos não representam maiores consequências, pois os valores absolutos de corrente injetada na rede nestes horários são baixos, não comprometendo indicadores de qualidade do produto do sistema elétrico da CPFL. O baixo impacto da conexão da Usina Solar Fotovoltaico Tanquinho está relacionado à robustez da rede elétrica da SE Tanquinho, por se tratar de uma subestação de 500 kv que representa um sistema muito forte. Portanto, para conectar um sistema fotovoltaico de grande escala em redes eléctricas fracas, estudos complementares são necessários. Para trabalhos futuros o estudo do impacto do grande sistema fotovoltaico em redes elétricas fracas será importante. Estudos adicionais que considerem novas tecnologias de inversores, que considerem melhor resposta durante os períodos de baixas potências são necessárias e são justificadas pelo aumento de geração de energia fotovoltaica e necessidade de melhoria da eficiência destes sistemas. 4. Referências bibliográficas [1] F. K. O. M. Varella. C. K. N. Cavaliero. E. P. Silva. Regulatory incentives to promote the use of photovoltaic systems in Brazil, Holos, Year 28, Vol 3, [2] G. Chicco, J. Schlabbach, F. Spertino, Experimental assessment of the waveform distortion in grid-connected photovoltaic installations, in Solar Energy 83, pp , February [3] V. Barbu, G. Chicco, F. Corona, N. Golovanov, F. Spertino, Impact of a photovoltaic plant connected to the MV network on harmonic distortion: na experimental assessment, Series C, Vol 75, ISSN , [4] F. Batrinu, G. Chicco, J. Schlabbach, F. Spertino, Impacts of grid-connected photovoltaic plant operation on the harmonic distortion, in IEEE MELECON, Málaga, Spain, May [5] J. H. So. Y. S. Jung. B. G. Yu. H. M. Hwang. G. J. Yu. J. Y. Choi. Performance results and analysis of large scale PV system, IEEE, [6] M. C. Benhabib. J. M. A. Myrzik. J. L. Duarte. Harmonic effects caused by large scale PV installations in LV network, 9th International Conference Eletrical Power Quality an Utilisation, Barcelona, [7] T. Abeyasekera, C. M. Johnson, D. J. Atkinson, M. Armstrong, Suppresion of line voltage related distortion in current controlled grid connected inverters, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 20, NO 6, November [8] ANEEL, PRODIST, Módulo 8 Qualidade da Energia Elétrica, Revisão 4, Resolução Normativa nº 469/2011, Fevereiro de [9] IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, IEEE Standard , /11