26 de maio de 2022
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Controle do fator de potência dos inversores fotovoltaicos – Parte I: Introdução

Inversores grid-tie têm a capacidade de injetar corrente com defasagem controlada, em relação à tensão, na rede elétrica

Controle do fator de potência dos inversores fotovoltaicos – Parte I: Introdução

Neste artigo vamos apresentar o conceito de fator de potência e apresentar as normas técnicas vigentes no Brasil

As normas brasileiras ABNT 16149 e ABNT 16150 exigem que o inversor fotovoltaico conectado à rede atenda alguns requisitos técnicos de operação no que diz respeito ao fator de potência. 

Neste artigo vamos apresentar o conceito de fator de potência e apresentar as normas técnicas vigentes no Brasil.

Define-se como fator de potência a relação entre as potências ativa e aparente de um sistema elétrico, segundo a equação:

Onde:

P – é a potência ativa em [kW]

Q – é a potência reativa em [kVAr]

S – é a potência aparente em [kVA]

Um triângulo retângulo é utilizado para relacionar as potências ativa, reativa e aparente.

Para o caso de um sistema monofásico senoidal, temos:

A potência aparente em (VA) é o produto dos valores eficazes (RMS) da tensão e da corrente. É assim nomeada porque seu cálculo consiste no simples produto da tensão pela corrente, por analogia a circuitos resistivos, mas seu valor não revela as parcelas de potência ativa e reativa presentes no sistema.

Nas instalações elétricas o fator de potência (FP) é um indicador de eficiência energética, relacionando as potência ativa e reativa presentes no circuito. Um valor de FP próximo da unidade (1,0) indica pouco consumo de energia reativa em relação à ativa. 

Uma vez que a energia ativa é aquela que executa trabalho útil, quanto mais próximo da unidade for o FP, maior é a eficiência energética da instalação ou do sistema elétrico.

O FP é classificado como puramente resistivo quando a corrente elétrica e a tensão do circuito têm a mesma fase, ou seja, estão perfeitamente sincronizadas e cruzam o zero (eixo horizontal) no mesmo instante, como mostra a Figura 2. O fator de potência também pode ser indutivo (Figura 3) ou capacitivo (Figura 4), quando a corrente está atrasada ou adiantada, respectivamente, em relação à tensão do sistema.

Nas Figuras 1 a 3 abaixo, a primeira imagem mostra as informações exibidas pelo analisador de energia de precisão Zimmer LMG 671 e a segunda mostra as formas de onda coletadas de um osciloscópio, da tensão na rede e da corrente injetada na rede pelo inversor fotovoltaico grid-tie.

Figura 1 – Acima: tela do medidor de energia indicando fator de potência quase unitário (resistivo). Abaixo: Formas de onda de tensão (amarelo) e corrente (verde) na saída de um inversor fotovoltaico ligado à rede, sincronizadas e em fase

Figura 2 – Acima: tela do medidor de energia indicando fator de potência indutivo. Abaixo: Formas de onda de tensão (amarelo) e corrente (verde) na saída de um inversor fotovoltaico ligado à rede, estando a corrente atrasada em relação à tensão

Figura 3 – Acima: tela do medidor de energia indicando fator de potência capacitivo. Abaixo: Formas de onda de tensão (amarelo) e corrente (verde) na saída de um inversor fotovoltaico ligado à rede, estando a corrente adiantada em relação à tensão

Controle do fator de potência dos inversores

Os inversores fotovoltaicos grid-tie (conectados à rede) têm a capacidade de injetar corrente com defasagem controlada, em relação à tensão, na rede elétrica de distribuição. Isso permite ao inversor controlar as quantidades de energia ativa e reativa que ele injeta na rede elétrica. 

Em geral, os inversores fotovoltaicos são normalmente programados para trabalhar com FP unitário, isto é, injetar potência puramente ativa. Entretanto, tem sido comum a necessidade de usar essa capacidade de injeção de potência reativa para fazer o próprio inversor compensar o fator de potência da instalação, realizando uma função parecida com a de um banco de capacitores. 

É importante salientar que existe um limite para a injeção de corrente que o inversor pode realizar. Dessa forma, se for programado para injetar determinada quantidade de potência reativa, terá capacidade reduzida de injetar potência ativa. O auxílio ao controle da estabilidade da rede elétrica também pode ser solicitado aos inversores por meio da sua capacidade de injetar potência reativa na rede de distribuição.

Isso ainda não acontece no Brasil, mas no futuro vamos encontrar situações em que a concessionária de energia elétrica poderá enviar sinais para os inversores dos sistemas de geração distribuída, fazendo-os injetar potência reativa conforme a necessidade da rede elétrica exigir. Em outras palavras, a distribuidora de energia elétrica será capaz de gerenciar os inversores conectados à sua rede de distribuição. 

Isso já acontece, por exemplo, na Califórnia, onde foi implantada a “California’s Interconnection Rule 21”. Na fase 1 da implantação dessa regulação os inversores conectados à rede tinham que ser “smart inverters”, compatíveis com alguns requisitos de controle requeridos para dar suporte ao controle da rede elétrica. 

Na fase 2, iniciada em 2019, foram estabelecidos os requisitos de comunicação para inversores, integrando-os a uma rede de IoT (internet das coisas) para que pudessem ser remotamente controlados pelas distribuidoras de energia elétrica. 

Na fase 3, ainda planejada para o futuro, serão especificadas funcionalidades avançadas, aproveitando os canais de comunicação criados na fase 2.

Testes de controle de fator de potência

No próximo artigo (Parte II: Testes normativos) vamos falar sobre os testes de controle de fator de potência, que são parte dos requisitos para a aprovação dos inversores no programa de certificação do INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia). 

As orientações e os requisitos dos testes são determinados pelas seguintes normas técnicas:

  • ABNT NBR 16150 – Sistemas fotovoltaicos (FV) – Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição – procedimentos de ensaio de conformidade;
  • ABNT NBR 16149 – Sistemas fotovoltaicos (FV) – Características de interface de conexão com a rede elétrica de distribuição.

Referências

  • California’s Interconnection Rule 21: What it means for utilities and customers across the US, https://www.openintl.com/california-rule-21-interconnection/
  • Cartilha “Inversores Fotovoltaicos Conectados à Rede, Procedimentos de ensaio”, produzida pelo INRI (Instituto de Redes Inteligentes) da UFSM (Universidade Federal de Santa Maria)
Guilherme Cerbatto Schmitt Prym

Guilherme Cerbatto Schmitt Prym

Engenheiro eletricista graduado pela Universidade Federal de Roraima (UFRR). Atualmente é mestrando e membro do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP, onde desenvolve pesquisas nas áreas de sistemas fotovoltaicos conectados à rede, eletrônica de potência, modelagem e controle de inversores monofásicos.

5 comentários

  • Luis Carlos disse:

    Tenho clientes pagando multa de Fator de Potência, mesmo com banco de capacitores automático. Pessoal responsável pela instalação não dão suporte. Com sol o controlador fica variando. Ora indica 0.95, ora 0.70 0ra – 0,45. Enfim, preciso de uma dica. Obrigado.

  • JACQUES G FILHO disse:

    Gostaria de entender melhor em futuras matérias e publicações como a rede de distribuição fará o controle do Fator de Potência de cada gerador fotovoltaico no gerenciamento da rede! Podemos afirmar que cada gerador fotovoltaico será um IP nessa rede de informação? Caso positivo, essa rede imaginaria será construída pelos cabos de energia da própria rede?

    • Bruno Kikumoto disse:

      Este assunto não está sendo discutido ainda Jacques, em geral as concessionárias impõem FP unitário para os inversores. Mas caso a concessionária solicite um FP diferente, seja capacitivo ou indutivo, os inversores já estão preparados para isso. Acredito que demandará uma regulação específica para isto, pois o proprietário do sistema FV precisa ser remunerado por este serviço prestado à rede, seria um serviço ancilar.

  • Clemilton Marques Pereira Feitosa disse:

    Excelente matéria.

  • Excelente artigo, parabéns Eng Guilherme.

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