Desligamento do inversor fotovoltaico por variação da tensão

Um problema que afeta muitos sistemas fotovoltaicos é o desligamento repentino do inversor quando a geração alcança valores elevados. O fenômeno ocorre principalmente nos dias ensolarados, quando tudo parece estar perfeito para o sistema fotovoltaico apresentar o seu melhor desempenho. A raiz do problema está na qualidade da rede elétrica à qual o inversor está conectado. Instalar um sistema fotovoltaico requer cuidados não somente nos componentes e nas conexões do inversor, dos módulos e da string box. O projetista precisa ter cuidado também com o que existe depois do inversor. A energia gerada precisa sair do inversor e ser injetada no ponto de conexão sem gerar perturbações à rede elétrica, tanto dentro da propriedade como na rede de distribuição. A principal perturbação à rede elétrica causada pelos sistemas fotovoltaicos é a elevação da tensão. É normal essa variação ocorrer e em muitos casos ela nem será percebida. Porém, quando temos redes elétricas frágeis ou muito precárias, mal dimensionadas, a variação de tensão pode exceder os limites de tensão e operação programados no inversor, fazendo com que ele se desligue.

Entendendo o problema

Os condutores elétricos possuem resistência elétrica. Quando percorrida por uma corrente elétrica, essa resistência ocasiona uma queda de tensão. Por causa da queda de tensão, em uma residência ou em uma instalação elétrica qualquer, a tensão obtida no quadro de distribuição será menor do que a tensão entregue pela concessionária no poste de entrada, como vemos na figura a seguir. Quando o consumo da instalação aumenta a queda de tensão vai se intensificando e o valor da tensão elétrica disponível no quadro de distribuição pode cair mais ainda dependendo de como a instalação foi dimensionada.

Nas instalações elétricas em geral a tensão no ponto de consumo vai ser menor do que a tensão no poste de entrada por causa da queda de tensão. Em instalações muito mal dimensionadas (que não são incomuns) a queda de tensão vai ser mais acentuada. Mas, esse é um problema que já existia mesmo antes da entrada dos sistemas fotovoltaicos. O que mudou então? Nas redes elétricas fracas, devido ao dimensionamento precário dos cabos, a tensão disponível para as cargas internas sempre vai ser reduzida com a circulação de corrente pelo circuito, como mostra a Figura 1. Quanto mais corrente estiver circulando pela instalação, mais queda de tensão vai ocorrer. Com a injeção de energia pelo inversor a corrente elétrica presente no circuito pode diminuir de intensidade ou até mesmo ser zerada (quando a geração solar for igual ao consumo interno), fazendo a queda de tensão diminuir, o que causa a elevação da tensão do ponto de conexão (onde o inversor está conectado), conforme mostra o gráfico da Figura 2. Quando a geração solar é muito grande (situação ilustrada nas Figuras 2 e 3), a quantidade de energia injetada pelo inversor pode originar uma corrente com sentido contrário, quando ocorre exportação de energia para a concessionária. Nesse caso, a tensão no ponto de injeção vai ser maior do que a tensão de entrada fornecida pela concessionária, podendo em alguns casos exceder o limite de operação para o qual o inversor está programado.

 

Um pouco de teoria: resistência e impedância

Os materiais condutores possuem uma resistência interna que depende do metal utilizado (cobre ou alumínio), da seção transversal (bitola do cabo) e do comprimento do cabo.

Quanto maior o comprimento do cabo, maior será a resistência dele. Quanto menor a bitola do cabo, maior será a resistência. Um condutor muito fino dificulta a passagem da corrente elétrica, portanto sua resistência é maior.

E cada material utilizado na fabricação do cabo possui uma característica própria denominada resistividade, que afeta a resistência do cabo. 

A resistência de um condutor elétrico pode ser calculada através da fórmula:

Na fórmula acima, ρ é a resistividade do material, L é o comprimento do cabo e S é a sua seção transversal (área).

Em circuitos elétricos curtos a resistência é a principal causa das quedas de tensão. Em circuitos mais longos existem ainda as quedas de tensão causadas pelas reatâncias, que são resultado dos efeitos capacitivos e indutivos presentes nos circuitos elétricos.

Um modelo mais completo das características de um cabo envolve fatores como a capacitância e indutância do cabo. A capacitância e a indutância estão relacionadas com a distância entre os cabos, a tensão entre eles e o meio em que estão envoltos.

A somatória dos efeitos da resistência, da capacitância e da indutância recebe o nome de impedância. Em cabos que conduzem corrente contínua os efeitos de capacitância e da indutância são nulos pela própria natureza dos efeitos eletromagnéticos.

Em circuitos de corrente alternada muito longos a capacitância e a indutância não podem ser desprezadas, pois os seus efeitos alteram as quedas de tensão e as perdas de condução do cabo. A impedância também pode ser significativa nas conexões elétricas. Conexões mal feitas ou inapropriadas possuem impedância significativa, que inclusive pode causar uma perda de energia em forma de aquecimento. A figura a seguir mostra o sobreaquecimento de um cabo e de um contato elétrico. A causa do aquecimento é a dissipação de energia sobre a resistência elétrica do contato. Além das resistências e impedâncias presentes nos cabos, maus contatos nas conexões também são uma causa importante de quedas de tensão. 

Queda de tensão

Quando uma corrente atravessa uma impedância em um circuito, há uma queda de tensão entre o terminal positivo e o negativo da impedância.

Ao se levar em consideração que um cabo real apresenta impedância diferente de zero podemos afirmar que a passagem de corrente em um cabo também causa uma queda de tensão entre seus terminais. A queda de tensão em um circuito causada por um cabo real é determinada abaixo:

Como estamos analisando um circuito com dois condutores, deve-se levar em conta a perda de tensão na resistência do cabo 2 também. Portanto:

Na fórmula acima temos a= 2 para circuitos monofásicos ou bifásicos e a=1,73 para circuitos trifásicos.

Em instalações comerciais não há muitas opções de materiais condutores, ficando o projetista com a escolha entre cobre e alumínio. O tamanho do circuito também nem sempre pode ser ajustado livremente, pois existem demandas físicas e de alocação dos dispositivos.

A maneira mais prática de se controlar a queda de tensão em um circuito é então a escolha da seção transversal do condutor. A norma de instalações elétricas de baixa tensão – NBR 5410 – prevê um limite máximo da queda de tensão em um circuito, como mostrado abaixo.

Inversor conectado à rede

Quando é conectado à rede elétrica o inversor fotovoltaico recebe em seus terminais a tensão disponível no ponto de conexão. Se o inversor for conectado diretamente ao padrão de entrada do consumidor, a tensão no ponto de conexão será mais estável (pois dependerá apenas das quedas de tensão existentes no circuito da rede de distribuição da concessionária de energia elétrica. Quando o inversor é conectado a um ponto mais interno da instalação, a tensão no ponto de conexão do inversor pode variar de acordo com as quedas de tensão causadas pelas correntes elétricas presentes na instalação. A tensão no ponto de conexão também pode variar dependendo da intensidade da corrente injetada pelo próprio inversor, como discutimos no início do artigo. Se o inversor injetar muita corrente, a ponto de inverter o fluxo de energia, a tensão do ponto de conexão vai se elevar além do valor encontrado no padrão de entrada do consumidor. Porém, há um limite para a tensão em que o inversor pode operar, que é definido pela norma NBR 16149, como mostrado na tabela abaixo. A tensão do inversor não pode ser menor do que 80% da tensão nominal de fornecimento da concessionária. A tensão do inversor também não pode ser maior do que 110% da tensão nominal de fornecimento. Cada concessionária possui uma tensão nominal de fornecimento e o inversor deve ser parametrizado de acordo com essa tensão. A tensão na qual o inversor está autorizado a operar encontra-se na faixa entre 80% e 110% da tensão nominal da rede de distribuição, conforme mostra a tabela.

Tabela 1. Limites de tensão de exportação de inversores conectados à rede

Portanto, caso o inversor injete muita energia e caso existam resistências (ou impedâncias) significativas na instalação, a tensão do ponto de conexão poderá aumentar e ultrapassar 110% da tensão nominal da rede, causando o desligamento automático do inversor.

Esta é uma situação muito comum em dias de grande geração. O desligamento do inversor por esse motivo ocorre sempre nos dias e horários de maior intensidade da irradiação solar.

O sistema fotovoltaico é desconectado no momento em que deveria gerar mais energia – uma situação muito desagradável que pode ser evitada com o projeto correto das instalações elétricas (evitando quedas de tensão) ou com a parametrização do inversor (alterando seus limites mínimo e máximo de operação, sem violar os limites da norma NBR 16149). 

Impedância de transformadores e queda de tensão

Sistemas solares fotovoltaicos de maior porte são tipicamente conectados à rede através de um transformador de acoplamento que eleva a tensão nominal do sistema para o mesmo nível da concessionária.

Transformadores também possuem uma impedância interna que pode causar uma queda de tensão do ponto de vista do inversor. O circuito equivalente de um transformador real mostrado na figura abaixo indica as impedâncias internas desse dispositivo. Para que um sistema solar fotovoltaico injete energia, a tensão do lado do transformador voltado para a rede interna (secundário), representada por Us, deve estar dentro da faixa operacional do inversor, conforme exposto na seção anterior (ou seja, entre 80% e 110% da tensão nominal de fornecimento da concessionária).

Desligamento do inversor pela queda de tensão

Quando se instala um inversor num circuito de alta impedância, ou seja, cabo com seção transversal inadequada, conexões mal-feitas ou transformadores de alta impedância, a tensão do ponto de conexão pode ser fortemente elevada devido à impedância do cabo, aos maus contatos e à presença do transformador. Se o aumento de tensão for considerável, ultrapassando 110% da tensão nominal da rede (se a parametrização do inversor estiver correta), o inversor vai desligar-se automaticamente. Esse desligamento é uma função de proteção presente nos inversores que em alguns casos causa o desligamento indesejado do equipamento. O desligamento do inversor pelo mecanismo descrito acima tipicamente ocorre em horários de máxima geração – próximos ao meio-dia. Esses desligamentos do inversor podem ser identificados nas curvas de geração diária do aparelho afetado, conforme o exemplo abaixo.

Medidas para contornar o problema

A primeira etapa para solucionar o problema é verificar se a tensão configurada no inversor é a mesma tensão de fornecimento da concessionária, pois o inversor somente deve operar dentro dos limites estabelecidos na Tabela 1.

O fenômeno descrito neste artigo está intimamente relacionado com a impedância que o inversor enxerga do lado CA e, como mostrado anteriormente, as fontes de impedância vistas pelo inversor são: cabos, conexões e transformador.

Portanto, cabos dimensionados levando em conta o critério de queda de tensão descrito na norma NBR 5410 minimizam o risco de desligamento do inversor por elevação de tensão. Quanto às conexões, devem ser bem feitas, seguindo as normas vigentes e periodicamente verificadas para que não haja folga no aperto.

Caso a impedância interna do transformador ou dos cabos que ligam o transformador da planta fotovoltaica até o transformador da concessionária sejam muito altos, aplica-se o mesmo raciocínio da queda de tensão nos cabos.