Configurações e modos de operação dos inversores híbridos e seus requisitos técnicos para operação on-grid e off-grid Prof. Me. Lucas Vizzotto Bellinaso lucas@gepoc.ufsm.br Prof. Dr. Leandro Michels michels@gepoc.ufsm.br Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia 19 de novembro de 2015
Sistema PV conectado à rede 1/5 11
Sistema PV conectado à rede 1/5 FALTA Anti-ilhamento 12
Sistema PV híbrido 1/5 Workshop Inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015) 13
Sistema PV híbrido 1/5 FALTA Anti-ilhamento 14
O que são sistemas PV híbridos? 1/5 Grid-tie Off-grid UPS Injeta energia na rede Obtém energia da rede Armazenamento de energia Frequência de operação Da rede Fixa Fixa* Grandeza controlada Corrente Tensão Tensão Reconexão com a rede Desconexão da rede Anti-ilhamento Comutação entre rede e outra fonte 15
O que são sistemas PV híbridos? 1/5 PV Grid-tie Operação on-grid Controle corrente Desconexão Reconexão UPS Operação off-grid Controle tensão Carga baterias 16
: nomeclaturamodesta 1/5 Conversor fotovoltaico multifuncional Q Retificador Inversor P Carga de baterias pela rede Grid-tie Off-grid 17
Classificação de inversores híbridos Classes de UPS da IEC 62040 1. Espera passiva (off-line) 2. Dupla conversão (on-line) 3. Linha interativa Rede elétrica G CA L S2 CA prioritárias Rede elétrica G CA L S2 CA prioritárias Rede elétrica G R CA S2 L prioritárias + + + GFV - GFV - GFV - 18
Classificação de inversores híbridos 1/5 Classe: Espera passiva Rede elétrica G L S2 prioritárias Retificador carga baterias CA CA Inversor grid-tie + off-grid + GFV - 19
Classificação de inversores híbridos 1/5 Classe: Dupla conversão Rede elétrica G L S2 prioritárias Inversor grid-tie + carga baterias CA CA Inversor off-grid V,f independentes da rede + GFV - 20
Classificação de inversores híbridos Classe: Linha interativa Tipo 1: chave interna de desconexão da rede Rede elétrica G R CA S2 L prioritárias Inversor grid-tie + off-grid + carga de baterias + GFV - 21
Classificação de inversores híbridos Classe: Linha interativa Tipo 1: chave interna de desconexão da rede Intertravamentomecânico redundância para inversores com saída de corrente separada da de tensão Intertravamento mecânico prioritárias Rede elétrica G R CA S2 L Controle GFV + - 22
Classificação de inversores híbridos Classe: Linha interativa Tipo 2: chave externa de desconexão da rede Chave externa Rede elétrica prioritárias Inversor híbrido R S2 CA Inversor grid-tie + off-grid + carga de baterias GFV + - 23
Modos de operação e seus requisitos Modos de operação em relação à conexão com a rede de inversores híbridos 1. Inversor grid-tie 2. Carga de baterias pela rede 3. Autônomo off-grid UPS 24
Modo 1: Grid-tie 1/5 Princípio de operação Rede elétrica prioritárias Baterias sendo carregadas + GFV - 25
Modo 1: Grid-tie 1/5 Princípio de operação Rede elétrica prioritárias Baterias sendo descarregadas + GFV - 26
Modo 1: Grid-tie Requisitos Qualidade de energia THD Rede elétrica prioritárias Harmônicos... Proteções Desconexão + Reconexão GFV - Anti-ilhamento... Contemplados na NBR 16149 27
Modo 2: Carga de baterias on-grid 1/5 Princípio de operação prioritárias Rede elétrica + GFV - 28
Modo 2: Carga de baterias on-grid Requisitos de desempenho Qualidade de energia? THD da corrente Nível da corrente Harmônicas de corrente Fator de potência mínimo Suporte para a rede de distribuição? Curva FP x Tensão para P > 3 KW Controle externo Rede elétrica OPCIONAL + GFV - prioritárias Requisitos podem ser adaptados da NBR 16149 29
Modo 2: Carga de baterias on-grid Requisitos Desconexão da rede Testes não necessários em modo carga Reconexão na rede Tempo mínimo não necessário em modo carga Rede elétrica + GFV - prioritárias OBS: NBR16149 tempo mínimo de 20s a 300s para fornecer energia após retorno da rede 30
Modo 3: Off-grid UPS 1/5 Princípio de operação Rede elétrica aberta UPS com energia PV abundante + GFV - 31
Modo 3: Off-grid UPS 1/5 Princípio de operação Rede elétrica aberta UPS com energia PV escassa + GFV - 32
Modo 3: Off-grid UPS Requisitos Qualidade de energia Rede elétrica aberta THD, harmônicos, etc... Nível máximo da tensão Alimentação de cargas prioritárias Linear + Não linear GFV - Indutiva e capacitiva Proteções sobre corrente no modo tensão curto-circuito no modo tensão Contemplados na IEC 62040 33
Modo 3: Off-grid UPS Requisitos Desempenho transitório Degrau de cargas lineares e não lineares Inversor híbrido 20% Medição de tensão 80% Contemplado na IEC 62040 34
Modo 3: Off-grid UPS 1/5 Requisitos Desempenho transitório Degrau de cargas lineares e não lineares 200 150 Inversor híbrido 20% 100 50 0-50 -100 Medição de tensão 80% -150-200 Contemplado na IEC 62040 0 16,66 33,33 50 66,66 Tempo (ms) 35
Modo 3: Off-grid UPS Requisitos Desempenho transitório Requisito para degrau de cargas classe 3 (IEC 62040) Classe 3 Contemplado na IEC 62040 36
Requisitos adicionais Transições on grid off-grid Limites classe 3 (IEC 62040) Tempo máximo para falta de tensão 10 ms Classe 3 Tempo limite para falta de tensão Contemplado na IEC 62040 37
Monitoramento da tensão da rede Requisitos adicionais 1/5 Reconexão necessita de sincronismo t1 Vrede irede t2 Vinv icarga Carga não linear Retificador não controlado Rede elétrica Retorno da rede iinv R conectado à rede Reconexão 0... Vinv Vrede 0... iinv irede t1 Operação off-grid 30 s t2 Operação on-grid 38
Requisitos adicionais Normas de referência NBR 16149 IEC 62109 IEC 62040 Principais requisitos de segurança e proteção Proteção contra curto-circuito Desconexão em caso de falha simples Segurança contra choques elétricos... 39
Procedimentos de avaliação 10 ensaios sugeridos além dos utilizados para inversores PV grid-tie, baseados nas normas existentes 1. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão operando on-grid 2. Ensaio de qualidade de energia em modo off-grid 3. Ensaio de sobrecarga em modo off-grid 4. Ensaio de curto-circuito em modo off-grid 5. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão com a rede em modo off-grid 6. Ensaio de comutação de cargas em modo off-grid 7. Ensaio de comutação on-grid off-grid 8. Ensaio de comutação off-grid on-grid 9. Ensaio de qualidade de energia em modo de carga pela rede 10. Ensaio do tempo de reconexão para fornecer energia à rede 40
Procedimentos de avaliação 1. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão operando on-grid Objetivo: Garantir que inversor e chaves não se danifiquem até proteção atuar Sugestão: realizar 2 curto-circuitos separados por 1 minuto de tempo na saída de tensão durante alimentação pela rede e verificar, após rearmada as proteções, se o inversor opera normalmente. Saída de corrente NBR 16149 L PE N L N C1 Saída de tensão C3 C2 Módulo de Eletrônica de Potência Gerador fotovoltaico Banco de baterias Outras fontes 41
Procedimentos de avaliação IEC 62040 2. Ensaio de qualidade de energia em modo off-grid Objetivo: garantir qualidade da tensão gerada Sugestão: considerar limites do PRODIST Sem carga Carga resistiva linear Carga indutiva linear Carga não-linear + GFV - Variável Frequência Tensão Tensão p.u. THD Harmônicas Limites PRODIST 59,9 Hza 60,1 Hz 0,1% máx (10 s) 0,93 a 1,05 10% máx Tabeladas 42
Procedimentos de avaliação IEC 62040 3. Ensaio de sobrecarga em modo off-grid Objetivo: garantir não danificação por sobrecarga breve Sugestão: 120% de carga por no mínimo 10 s Sobrecarga + GFV - 43
Procedimentos de avaliação IEC 62040 4. Ensaio de curto-circuito em modo off-grid Objetivo: garantir não danificação com curto-circuitos Sugestão: realizar 2 curto-circuitosseparados por 1 minuto de tempo e verificar se inversor opera normalmente + GFV - 44
Procedimentos de avaliação IEC 62109 5. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão com a rede em modo off-grid Objetivo: garantir não danificação com curto-circuitos ou falhas Sugestão: realizar 2 curto-circuitos separados por 1 minuto de tempo Defasagem inversor/rede: 180 (monofásico) ou 120 (trifásico) Rede elétrica em contra-fase 45
Procedimentos de avaliação IEC 62040 6. Ensaio de comutação de cargas em modo off-grid Objetivo: garantir suprimento da carga durante transitórios Sugestão: considerar limites da classe 3 da IEC 62040 Linear resis va: 33% 100% e 100% 33% Não linear: 33% 100% e 100% 33% Classe 3 (IEC 62040) Inversor híbrido V medida 46
Procedimentos de avaliação IEC 62040 7. Ensaio de comutação on-grid off-grid Objetivo: garantir suprimento da carga durante transitórios Sugestão: considerar limites da classe 3 da IEC 62040 10 ms 47
Procedimentos de avaliação IEC 62040 8. Ensaio de comutação off-grid on-grid Objetivo: garantir suprimento da carga durante transitórios Sugestão: considerar limites da classe 3 da IEC 62040 10 ms 48
Procedimentos de avaliação NBR16149 9. Ensaio de qualidade de energia em modo de carga pela rede Objetivo:garantir qualidade da corrente absorvida da rede para evitar distúrbios de tensão causados por harmônicos Sugestão: considerar limites da NBR 16149 para inversores fotovoltaicos prioritárias Rede elétrica OPCIONAL GFV + - 49
Procedimentos de avaliação NBR16149 10. Ensaio do tempo de reconexão para fornecer energia à rede Objetivo:garantir que inversor não forneça energia à rede antes do tempo mínimo de 20 s a 300 s. NOTA 1: Ensaio já contemplado para inversores grid-tie NOTA 2: Inversor pode funcionar como carga antes do tempo mínimo Retorno da rede Reconexão 0... Vinv Vrede 0... iinv irede t1 Operação off-grid 30 s t2 Operação on-grid 50
Conclusões Inversores híbridos = Inversor Grid-tie + UPS Chaves internas e externas devem suportar curto-circuitos Ensaios podem ser baseados em normas estabelecidas NBR 16149 IEC 62109 PRODIST IEC 62040 Inversores híbridos podem contribuir para o sistema elétrico através do armazenamento de energia dependendo da normatização definida 51