Controle de Exportação e Gerenciamento de Energia dos Inversores FV

Um dos grandes desafios para aplicações envolvendo a geração distribuída (GD) por meio de sistemas fotovoltaicos é maximizar a potência total instalada, de acordo com a disponibilidade financeira e de espaço físico.

Quanto maior for a potência instalada do arranjo fotovoltaico, maior a geração de energia e a quantidade de cargas que podem ser atendidas. Porém, nem sempre é possível aprovar um projeto novo ou expandir uma instalação existente de acordo com a potência planejada.

A viabilidade da conexão de novos geradores à rede de distribuição depende de questões técnicas e também contratuais. Desse modo, projetos podem ser inviabilizados caso algum desses itens não sejam compatíveis. Por exemplo, não é raro encontrar instalações que tenham restrições na potência que pode ser injetada na rede. Portanto, uma das formas de atender tais situações é através do controle de exportação por meio dos inversores fotovoltaicos.

Atualmente o mercado demanda por sistemas de gerenciamento que permitam ao usuário uma visão completa do fluxo de energia na instalação. Geralmente, os inversores exibem apenas informações sobre a geração de energia, mas não indicam parâmetros de consumo interno da instalação.

Esse artigo mostra como os inversores on-grid são controlados de forma a atender os requisitos de contratos ou limites técnicos das concessionárias. Além disso, será mostrado como o uso de gerenciadores externos pode auxiliar a gerenciar, limitar ou mesmo bloquear completamente o fluxo de energia para rede elétrica, mesmo aumentando a potência total do arranjo fotovoltaico.

O controle de exportação de energia do inversor

Os inversores fotovoltaicos possuem potência de saída naturalmente limitada pela geração do arranjo conectado em sua entrada, e isso quer dizer que a potência de saída de um inversor nunca pode ser maior que a potência de entrada.

Além disso, todo inversor fotovoltaico possui uma potência máxima de saída e esse valor é exibido no datasheet (folha de dados) do fabricante, sendo que em muitos casos é diferente da sua potência nominal. Por exemplo, um inversor de potência nominal de 100 kW pode ter potência máxima de saída de 110 kW, dependendo do fabricante. Esse fato é importante não só para a geração total de energia, mas para o dimensionamento de cabos e componentes de proteção da instalação.

A potência máxima de saída indica o máximo que o inversor consegue entregar, sendo uma limitação de hardware e também de software. Mesmo que o equipamento seja projetado para operar com sobrecarga no lado de corrente contínua (CC), sua potência máxima de saída em corrente alternada (CA) é o limite superior de operação.

Como podemos proceder se precisarmos limitar a potência de saída do equipamento a um valor abaixo da sua potência máxima?  Nesse caso existem duas formas de atingir esse objetivo. A primeira forma de limitar a potência de saída do inversor é através das configurações internas do equipamento. Esse método é simples e fácil de se executar, já que os inversores permitem ajustes na potência de saída.

O problema com esse método é que ele deve ser feito de forma manual e não permite acompanhar as variações de carga e geração instantânea. Isso significa que uma parcela da energia pode ser perdida se a carga variar frequentemente ao longo do dia.

Outra alternativa para fazer o controle de geração e exportação de energia na rede é através de um controlador externo ao inversor. Essa alternativa permite realizar o controle dinâmico de geração baseado no consumo instantâneo do cliente. Dessa forma, é possível otimizar o uso dos inversores e atender as restrições técnicas de injeção na rede.

Quando é necessário o controle de exportação dos inversores na rede ?

Aplicações com controle de potência são encontradas nos segmentos residenciais, comerciais, industriais e em usinas de grande porte. São aplicações que requerem um balanço preciso entre geração e consumo da carga, não sendo suficiente o método manual de controle.

Em sistemas fotovoltaicos conectados à rede a energia gerada pode ser utilizada para uso interno da instalação ou exportada para a rede de distribuição de energia. A parcela de energia gerada e consumida instantaneamente é quantificada através do autoconsumo da instalação.

Quanto maior o percentual de autoconsumo, maior a independência da instalação em relação à concessionária de energia e menor o impacto de reajuste nas tarifas de energia para o cliente final.  O percentual de autoconsumo pode ser melhorado através do controle de geração dos inversores, remanejamento de cargas, com o auxílio de baterias ou até mesmo com a integração de carros elétricos à instalação.

O controle de injeção dos inversores também encontra aplicações em redes com restrições na potência de gerador conectado, limitações pela capacidade de equipamentos de proteção ou de transformadores.

Como exemplo, podemos considerar uma instalação onde o limite de operação do transformador tenha sido atingido. Não é possível instalar mais inversores e injetar na rede sem sobrecarregar o transformador. Nesse caso, um controlador de exportação pode ser utilizado de forma que mesmo com a implementação de novos inversores na instalação, a energia produzida seja utilizada apenas para uso das cargas e não passe pelo transformador.

Clientes de médio a grande portes e que estejam no Mercado Livre podem utilizar o controle dos inversores no modo chamado de “Zero Grid” ou “Zero Export”. Nessa estratégia de operação ainda são utilizados inversores “on-grid” e conectados à rede, porém o fluxo de energia para a rede da concessionária é eliminado.

Outras aplicações também são possíveis utilizando o controle de exportação dos inversores. Essas aplicações encontrarão cada vez mais espaço no mercado à medida que consumidores desejam atingir sua autonomia energética e aumentar a potência de geradores fotovoltaicos instalados.

Como controlar a exportação de energia

O Gerenciador de Potência Exportada ou EPM da Solis veio para o mercado brasileiro como uma solução para o gerenciamento inteligente de energia para sistemas residenciais, comerciais, industriais ou usinas fotovoltaicas. A Figura 1 mostra um esquema típico de aplicação com esse componente.

O EPM é um sistema de controle para instalações conectadas à rede elétrica, ou seja, sistemas on-grid. Este sistema de controle permite medir o fluxo de energia na instalação, bem como a energia injetada, ou a energia utilizada da rede elétrica, ou até mesmo medir o consumo das cargas do cliente. Uma aplicação típica do EPM, conforme ilustrado na Figura 1, é conectá-lo aos inversores através do cabeamento RS485 e à rede elétrica, por meio de transformadores de corrente (TCs)

Por meio do EPM é possível implementar sistemas Grid Zero e com controle dinâmico de potência através de monitoramento e comunicação em tempo real com os inversores fotovoltaicos. Essa é uma solução compatível com inversores monofásicos e trifásicos da Solis, podendo controlar até 80 inversores dentro da mesma instalação.

Um dos grandes diferenciais do EPM é sua praticidade e facilidade para instalação. Com apenas 5 kg e seguindo alguns passos de configuração, o equipamento pode ser inicializado e colocado em operação em menos de 10 minutos.

Estudo de caso com inversores Solis de 250 kW no Brasil

Três versões do EPM foram lançadas no mercado, permitindo que instalações monofásicas ou trifásicas possam utilizar a solução. A versão mais completa (EPM3-5G-PLUS) é compatível com sistemas trifásicos em tensões de 220 V, 380 V ou 480 V, além de possuir entrada para comunicação via wifi ou cabo Ethernet.

Como funciona o EPM da Solis ?

Controlar em tempo real a geração de múltiplos inversores com base em variações da carga não é uma tarefa simples e exige bastante poder de processamento, além de rapidez e precisão. Apesar de executar uma função complexa, o funcionamento do EPM pode ser descrito através de simples passos.

Para o funcionamento correto do sistema, deve-se conectar o EPM no padrão de entrada do cliente, e medir tensão e corrente em cada uma das fases. Além disso, são necessários cabos de comunicação RS-485 entre o EPM e os inversores fotovoltaicos. Cada inversor recebe e envia comandos para o EPM através de endereços distintos.

A partir da medição de tensão e corrente no padrão de entrada o EPM consegue determinar não só a potência total processada, mas também sua direção. A direção do fluxo de energia pode ser no sentido da rede de distribuição ou sentido carga do cliente, variando ao longo do dia conforme a geração e consumo instantâneo.

A demanda de cada inversor é determinada individualmente através de um algoritmo inteligente em tempo real, conforme os cenários abaixo:

• Cenário 1 – Geração FV < Consumo: Nesse caso o controlador envia um comando aos inversores para que sua geração seja maximizada e que seja aproveitada a máxima potência disponível dos módulos. A diferença entre o consumo e a geração disponível é suprida pela rede da concessionária.
• Cenário 2 – Geração FV = Consumo: O autoconsumo é otimizado e os inversores recebem comandos para manter a geração no nível atual. A rede externa não é utilizada.
• Cenário 3 – Geração FV > Consumo: Caso seja escolhida a operação em Grid Zero então os inversores recebem comandos para que sua geração seja reduzida ao nível da carga e a exportação para a rede seja nula. Caso não seja escolhido o Grid Zero então o controlador permite que um percentual de energia seja injetado na rede, conforme a configuração do usuário.

Estudo de Caso com o EPM no Brasil

A seguir pode-se visualizar o gráfico de operação do EPM em uma instalação com inversores trifásicos de 60 kW localizada no estado do Rio de Janeiro. A capacidade total do sistema é de aproximadamente 800 kWp, sendo que um único EPM3-5G-PLUS é utilizado para controlar 12 inversores da Solis. O cliente participa do Mercado Livre e deseja não exportar energia para a rede externa por questões contratuais e de operação da rede.

A Figura 4 mostra o fluxo de energia captado pelo EPM ao longo de um dia de operação do sistema. Essas informações são disponibilizadas para o cliente final, integrador e distribuidor por meio da plataforma de monitoramento SolisCloud.

Pelo monitoramento do EPM é possível visualizar três curvas: a geração total dos inversores (amarelo), a potência utilizada da rede (vermelho) e a curva de consumo do cliente (verde). A análise simultânea das três curvas mostra uma visão completa não só de geração, mas também do consumo na instalação.

A curva de carga na Figura 4 mostra consumo médio de 100 kW durante o período noturno. Essa energia é importada da concessionária pois não há geração local. Durante o horário comercial a potência média consumida é elevada para 300 kW, onde uma parcela é fornecida pelo sistema fotovoltaico (em amarelo). A diferença entre consumo e geração é suprida pela rede da concessionária (em vermelho).

Nota-se que em grande parte do dia o consumo do cliente é maior que a geração, e nesse caso a energia desloca-se no sentido da concessionária para o cliente, de forma a suprir a demanda. Porém, há momentos em que a geração se aproxima do consumo e o sistema de controle atua de forma a não exportar energia para a rede externa.

A Figura 5 mostra um resumo da operação com o EPM. Agora são mostrados valores totais para o dia selecionado. É observado que 100% da energia gerada ou 1,66 MWh são utilizados para consumo interno da instalação. Nenhum valor em kWh foi exportado para a rede de distribuição. Isso confirma que o sistema operou de acordo com o planejado pelo cliente.

Em resumo, o EPM da Solis é um equipamento que permite o controle de exportação dos inversores, mas também o gerenciamento do fluxo de energia na instalação. O equipamento pode ser utilizado para operação com bloqueio total de injeção na rede ou Grid Zero, com suporte simultâneo de inversores Solis com diferentes potências. Além disso, o monitoramento completo de energia permite que a geração fotovoltaica seja melhor aproveitada e utilizada localmente.