Mai 27, 2020

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Funções e requisitos técnicos dos inversores fotovoltaicos – Parte I

Este é o primeiro de uma série de artigos que vai abordar as funções e os requisitos dos inversores empregados na conexão de sistemas fotovoltaicos à rede elétrica. Os inversores possuem funções que são desejáveis e necessárias para operar com sistemas fotovoltaicos, enquanto outras funções e alguns requisitos são exigidos por norma.

Quando falamos de requisitos técnicos para os inversores a primeira referência que devemos consultar é a norma NBR 16149: Sistemas Fotovoltaicos (FV) – Características de interface de conexão com a rede elétrica de distribuição. Essa norma, como seu próprio nome já diz, determina o modo como os inversores fotovoltaicos devem se comportar ao interagir com a rede elétrica de baixa tensão. (Uma dica: o leitor pode encontrar as normas originais por um custo acessível no site target.com.br)

No Brasil, para que possam se conectar à rede elétrica, os inversores fotovoltaicos até 10 kW devem respeitar, além da NBR 16149, a normas NBR 16150 e NBR 62116. Vamos falar sobre as normas nos próximos artigos da série, enquanto vamos nos concentrar neste artigo em algumas funções e características básicas dos inversores.

Funções básicas dos inversores

Controle da corrente de saída

Os inversores fotovoltaicos para conexão à rede (grid-tie) são fontes de corrente eletrônicas. Isso significa que esses inversores não fornecem tensão elétrica em seus terminais, como os inversores CC-CA convencionais. Um inversor grid-tie não é capaz de alimentar sozinho nenhum tipo de carga, devendo estar sempre conectado à rede elétrica para poder operar.

O que significa estar conectado à rede elétrica? Significa que o inversor recebe em seus terminais a tensão da rede elétrica (127 V, 220V etc) e utiliza essa tensão como referência para seu funcionamento.

Uma vez conectado à rede o inversor tem a função primordial de produzir nos seus terminais de saída uma corrente elétrica senoidal, sincronizada com a forma de onda da tensão da rede, com o objetivo de injetar na rede elétrica a energia extraída dos painéis solares. Essa energia poder ser consumida instantaneamente por cargas próximas ou pode ser exportada para a companhia de distribuição de energia, caso o consumo no ponto de injeção seja inferior à geração.


  Figura 1: O inversor grid-tie produz em seus terminais de saída uma corrente elétrica senoidal em sincronismo com a tensão da rede elétrica.

Controle da tensão de entrada

O inversor grid-tie possui uma característica incomum, não encontrada em outros tipos de inversores: sua tensão de entrada é controlada. Isso é necessário para permitir a operação com valores de tensão que podem ser ajustados de acordo com o tipo e a quantidade de módulos fotovoltaicos ligados à entrada do inversor.

Além disso, essa função é importante porque os módulos fotovoltaicos possuem tensão de saída variável. Os módulos, sem o auxílio de um inversor, são incapazes de estabilizar sua tensão de saída. Módulos fotovoltaicos de forma isolada não são úteis para alimentar nenhum tipo de carga, sendo necessário que algum dispositivo externo (como o inversor grid-tie) controle sua tensão de saída.

A capacidade de ter sua tensão de entrada ajustada, consequentemente ajustando a tensão de saída dos painéis solares, é também necessária para o funcionamento do recurso de MPPT do inversor, sobre o qual vamos falar a seguir.

Figura 2: Blocos básicos de controle de um inversor fotovoltaico.

MPPT - Rastreamento do ponto de máxima potência

Este é um recurso muito importante, presente em absolutamente todos os inversores grid-tie fotovoltaicos. Com o objetivo de extrair a máxima quantidade de energia de um sistema fotovoltaico os painéis devem operar sempre em seu ponto de máxima potência. Para isso os inversores empregam algoritmos de MPPT – Maximum Power Point Tracking (rastreamento do ponto de máxima potência, em tradução direta).

O sistema de MPPT atua em conjunto com o sistema de controle de tensão da entrada do inversor. O objetivo do algoritmo é estabelecer o valor da tensão ideal de operação dos módulos fotovoltaicos. Essa informação é enviada para o sistema de controle de tensão, que coloca os painéis solares para operar exatamente (ou o mais próximo possível) do seu ponto de máxima potência.

O recurso do MPPT é útil (e necessário) para que o inversor possa se adequar a qualquer tipo ou quantidade de módulos fotovoltaicos (respeitando os limites operacionais do inversor). O MPPT e o sistema de controle de tensão trabalham em conjunto para que essa adequação seja possível.

Durante um dia de funcionamento o ponto de máxima potência dos módulos fotovoltaicos varia de acordo com a irradiância (intensidade da luz solar), com a temperatura e com a presença de sombras. O inversor é então obrigado a adaptar-se, ajustando a todo momento a tensão de operação dos módulos fotovoltaicos para buscar o seu ponto de máxima potência.

Figura 3: O sistema de MPPT – rastreamento do ponto de máxima potência – permite que os inversores busquem o ponto ótimo de operação dos módulos fotovoltaicos.

Monitoramento da corrente de fuga

Nas instalações fotovoltaicas, como em qualquer instalação elétrica, podem existir correntes de fuga indesejáveis nos equipamentos e componentes. Correntes de fuga são correntes elétricas que se desviam do seu caminho original e fluem para a terra ou passam pelo corpo de alguma pessoa ou animal (quando ocorre um choque elétrico). As correntes de fuga devem ser evitadas como medida de proteção, pois sua presença indica a existência de falhas ou defeitos.

 

Figura 4: A presença de correntes de fuga indica a existência de falhas o defeitos. O inversor deve monitorar fugas de corrente e deve desligar-se automaticamente quando uma fuga ocorre.

Funções e características desejáveis nos inversores

MPPT com busca do ponto de máxima potência global

A qualidade do sistema de MPPT de um inversor diz muito a respeito dele. Normalmente nos catálogos dos fabricantes a eficiência do equipamento é especificada, porém nunca se fala sobre a eficiência do algoritmo de MPPT, ou seja, a capacidade que o inversor possui de sempre buscar o melhor ponto de operação para os módulos.

Um sistema de MPPT ruim, mesmo num inversor de boa qualidade, pode reduzir o desempenho do sistema fotovoltaico, principalmente em situações de operação não ideais, com a presença de sombras e sujeiras.

É muito desejável nos inversores a capacidade de buscar pontos de máxima potência globais (e não somente locais, como é o padrão na maior parte dos equipamentos).

Figura 5: A presença de sombras parciais torna difícil a busca do ponto de máxima potência global nos sistemas fotovoltaicos. Um algoritmo de MPPT mais sofisticado é necessário para contornar esse tipo de situação, evitando que o inversor fique preso a um máximo local. Fonte: Fronius

Múltiplas entradas de MPPT

Inversores tradicionalmente possuíam apenas uma entrada de MPPT. Isso significa que todos os strings de módulos ligados ao inversor, independentemente da quantidade, eram tratados como um conjunto único.

O inversor com apenas uma entrada de MPPT realiza o rastreamento do ponto de máxima potência de todo o conjunto de strings paralelos, não sendo capaz de otimizar o funcionamento do sistema fotovoltaico quando há módulos ou strings operando em situações desiguais (diferentes inclinações e condições de sombra, por exemplo).

Por outro lado, o inversor com múltiplas entradas de MPPT tem a capacidade de olhar individualmente para os strings ou para pequenos grupos de strings de módulos fotovoltaicos, tornando a operação do sistema fotovoltaico mais eficiente. A presença de alguma alteração operacional nos strings de uma entrada (como uma sombra) não afeta os strings que estão ligados às demais entradas.

Nos equipamentos com múltiplas entradas de MPPT também é possível ter strings com características diferentes (tipos e quantidades de módulos fotovoltaicos) ligados em diferentes entradas, pois as entradas são absolutamente independentes.

Figura 6: No inversor com múltiplas entradas de MPPT a operação de cada entrada é realizada de forma independente, sendo possível ter strings com condições e características distintas em cada entrada.

Alta eficiência de conversão

Esse é um requisito desejado em qualquer tipo de equipamento ou máquina e não é uma exclusividade dos inversores fotovoltaicos. Tipicamente os inversores fotovoltaicos possuem eficiências de 96% a 98%.

A eficiência mede quanta energia é consumida dentro do equipamento e é definida como a razão entre a potência de saída e a potência de entrada do inversor.

A eficiência de um inversor deve ser sempre a máxima possível, pois qualquer pequena variação de apenas 1% pode causar um impacto grande nos resultados ao longo do tempo. Uma perda energética de apenas 1% em uma usina solar pode representar uma grande quantidade de energia ao longo dos anos. Por isso a eficiência do inversor é um dos primeiros itens que devem ser avaliados na escolha do equipamento. 

  
Figura 7: A eficiência mede a quantidade de energia consumida no inversor. É definida como a razão entre a potência de saída e a de entrada do equipamento.

Baixo conteúdo harmônico da corrente

Um bom sistema de controle de corrente, aliado a um bom filtro de saída, é necessário para possibilitar a geração de correntes com baixa distorção, sem a presença de muitas harmônicas. A norma NBR 16149 limita a 5% o conteúdo harmônico da corrente de saída dos inversores grid-tie no Brasil.

Quanto menor o conteúdo harmônico, menor é o impacto causado pelo inversor à rede elétrica. O nível de distorção harmônica da corrente de saída do inversor deve ser baixo pois as correntes harmônicas em grande quantidade causam prejuízos à rede elétrica, principalmente: aumento das perdas, interferência eletromagnética e ressonâncias.

Figura 8: A taxa de distorção harmônica da corrente elétrica produzida pelo inversor deve ser pequena. Nesta figura vemos uma forma de onda típica da corrente de saída de um inversor fotovoltaico. A corrente é senoidal e possui um conteúdo de ondulação de alta frequência que não deve ultrapassar 5% do valor eficaz total da corrente.

Ampla faixa de tensão de entrada

Os inversores fotovoltaicos têm um limite mínimo e máximo de tensão de operação. Um inversor com limites mais amplos, com uma faixa maior de tensão de entrada, permite maior flexibilidade na composição dos projetos fotovoltaicos, possibilitando que o mesmo equipamento possa ser usado em projetos com diferentes tipos e quantidades de módulos em série.

Normalmente nos inversores para microgeração, com potências de até alguns poucos quilowatts, as tensões de entrada são mais flexíveis, com uma faixa mais ampla. Nos inversores para usinas essa característica já é mais restrita, com uma faixa estreita de tensão de entrada e pouca opção de escolha no número de módulos dos strings.
Figura 9: Uma faixa mais ampla de tensão de entrada permite maior flexibilidade no uso do inversor em diferentes projetos, com tipos e quantidades diferentes de módulos fotovoltaicos.

 

Cenas do próximo capítulo

No próximo artigo desta série vamos abordar os requisitos técnicos dos inversores fotovoltaicos à luz das normas NBR 16149, NBR 16150 e NBR 62116.


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Last modified on Quarta, 25 Dezembro 2019 21:22
Marcelo Gradella Villalva

Especialista em sistemas fotovoltaicos. Doutor (PhD), Mestre e Graduado em Engenharia Elétrica. Docente e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP (http://www.lesf.com.br). Autor de mais de 200 artigos técnicos de alcance internacional nas áreas de eletrônica de potência e sistemas fotovoltaicos. É autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações". Pioneiro em treinamentos em sistemas fotovoltaicos no Brasil. É coordenador do programa de Extensão em Energia Solar Fotovoltaica da UNICAMP (http://cursosolar.com.br), onde apresenta cursos de Introdução à Energia Solar Fotovoltaica, Projeto e Dimensionamento de Sistemas com PVSyst e Instalação e Integração de Sistemas Conectados à Rede Elétrica.

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