Fator de potência das instalações e controle de potência nos inversores

Após a introdução do sistema fotovoltaico ocorre a redução do fator de potência da instalação com a injeção de potência ativa dos painéis solares. A correção do fator de potência pode ser realizada pelo próprio inversor fotovoltaico ou por bancos de capacitores.

Além da correção do fator de potência, o recurso do controle de potência (ativa ou reativa) dos inversores pode ser empregado para dar suporte ao controle de tensão em redes de distribuição longas ou em redes autônomas.

O fator de potência das instalações elétricas

Os consumidores de energia elétrica são divididos em faixas de acordo com a sua tensão de alimentação, conforme as tabelas abaixo.

Os consumidores do Grupo A devem ter seu fator de potência medido através de um cálculo de média horária. O fator de potência de referência (calculado) não pode ser inferior a 0,92, sob pena de multa por excesso de consumo de energia reativa.

Nas instalações elétricas convencionais (sem a presença de sistemas fotovoltaicos) o fator de potência sempre foi motivo de preocupação. As causas do baixo fator de potência são motores de indução de grande potência operando em vazio (como é comum nas máquinas operatrizes), transformadores em vazio ou com pouca carga, lâmpadas  fluorescentes e presença de muitos motores de pequena potência (em geladeiras e aparelhos de ar condicionado, por exemplo), entre outras coisas.

O fator de potência também pode ser reduzido pela presença de muitos equipamentos não lineares como máquinas de solda, lâmpadas eletrônicas e circuitos com entrada retificada em geral. A REN 414 (Resolução Normativa nº 414/2010) e a REN 569 (Resolução Normativa nº 569/2013) da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) regulamentam a definição, os valores de referência e a abrangência na aplicação do fator de potência para o faturamento do excedente de reativos das unidades consumidoras.

De acordo com essas resoluções, as unidades consumidoras do Grupo B não podem ser cobradas pelo excedente de reativos devido ao baixo fator de potência. Para as unidades consumidoras do Grupo A o fator de potência, para fins de cobrança, deve ser verificado pela distribuidora por meio de medição permanente.

O fator de potência desses consumidores tem um limite mínimo de 0,92. Caso o consumidor tenha fator de potência abaixo desse valor, uma multa pelo uso excessivo de energia reativa será cobrada. O controle do fator de potência nas instalações convencionais, nos consumidores do Grupo A, é realizado por meio de bancos de capacitores associados a sistemas de supervisão e controle.

Um medidor de energia monitora o consumo de energia ativa e energia reativa. Conforme a necessidade, dependendo das cargas empregadas na instalação (motores e outros equipamentos), um número maior ou menor de capacitores é acrescentado à instalação.

Esta é uma solução tecnologicamente simples e bastante empregada em todos os tipos de consumidores comerciais ou industriais que possuem problemas com o fator de potência e apresentam muita intermitência na sua curva de demanda (ou seja, possuem máquinas que entram e saem de operação o tempo todo).

Fator de potência x sistemas fotovoltaicos

Os inversores grid-tie injetam na instalação elétrica a energia ativa produzida pelos módulos fotovoltaicos. A injeção de potência ativa piora o fator de potência das instalações, pois do ponto de vista da distribuidora o consumidor passa a utilizar menos energia ativa da rede elétrica, o que faz elevar proporcionalmente o seu consumo de energia reativa.

Apesar de não causar qualquer alteração no consumo de energia reativa, os sistemas fotovoltaicos causam a redução do fator de potência nos consumidores do Grupo A.

Os sistemas fotovoltaicos injetam potência ativa, o que causa a redução do fator de potência das instalações, embora o consumo de potência reativa não seja alterado.

Controle da potência reativa através dos inversores

O inversores grid-tie para sistemas fotovoltaicos tem a capacidade de fazer a injeção de potência reativa. Dessa forma funcionam como  capacitores ou indutores eletrônicos. Por meio do controle do deslocamento de fase da corrente elétrica o inversor é capaz de produzir correntes indutivas ou capacitivas.

O segredo da capacidade de controlar a potência reativa é o sistema de controle da corrente de saída do inversor. Esse sistema faz com que o inversor se comporte como uma fonte de corrente controlada. Podemos solicitar ao inversor a geração de qualquer tipo de corrente, de qualquer amplitude, frequência ou fase.

A corrente de saída do inversor fotovoltaico é sempre senoidal e sincronizada em frequência com a tensão da rede elétrica. Dependendo da quantidade de potência ativa ou reativa que se deseja obter na saída do inversor, a amplitude ou a fase da corrente podem ser alteradas pelo software de controle do inversor.

Embora seja possível corrigir o fator de potência das instalações com a injeção de potência reativa pelo inversor, três fatos principais devem ser lembrados:

• O recurso de injeção do fator de potência do inversor não foi planejado para substituir os bancos de capacitores, mas apenas para proporcionar ajustes no fornecimento de reativos para melhorar o fator de potência ou dar suporte ao controle de tensão e da frequência nas redes elétricas fracas, que podem ser redes de distribuição em final de linha, com alta impedância, ou redes autônomas (micro-redes);

• O uso da capacidade de injeção de potência reativa do inversor reduz sua capacidade de injetar potência ativa. Inversores empregados com essa função em geral devem ser superdimensionados.;
• O inversor apenas fornece uma pequena parcela de potência reativa, definida por uma curva de capacidade. Isso significa que na ausência de potência ativa o inversor não tem capacidade de injeção de potência reativa. Não é possível, por exemplo, fazer a compensação noturna do fator de potência com inversor grid-tie.

Se o inversor for programado para gerar apenas potência ativa, a corrente de saída fica sempre sincronizada em fase com a tensão. Se desejarmos que o inversor produza potência reativa, a fase entre a corrente e a tensão vai ser alterada conforme o tipo de injeção e conforme um algoritmo pré-programado no inversor.

Modos de controle da potência dos inversores

A maior parte dos inversores grid-tie possui modos de controle de potência reativa pré-programados. Os diversos modos podem ser usados de acordo com o objetivo a ser alcançado com a injeção da potência reativa ou a limitação da potência ativa na instalação.

O que todos os modos têm em comum é o controle das parcelas de potência ativa e reativa injetadas pelo inversor na rede elétrica. O que muda de um modo para o outro é o tamanho de cada parcela e a maneira como elas são ajustadas.

Limitação da potência ativa

Neste modo o inversor limita a potência extraída dos módulos através da diminuição da sua tensão de entrada. A redução da potência ativa é uma das maneiras de controlar o valor do fator de potência de uma instalação, impedindo a injeção excessiva de energia ativa. Dessa forma a potência de saída do inversor pode ser ajustada para um valor percentual da potência consumida na instalação.

Na realidade esse modo de controle é bastante útil nas situações em que se deseja evitar a exportação de potência ativa para a rede elétrica, garantindo que o inversor vai injetar somente a energia necessária para ser consumida localmente.

Além disso, esse modo de controle pode ser útil para redes autônomas que possuem outra fonte de energia em paralelo – como um gerador a diesel, por exemplo. Através da limitação de potência do inversor pode-se evitar que o gerador a diesel receba a energia excedente do sistema quando a geração solar é muito grande, mas não há consumo.

Controle P x f – limitação da potência ativa

O controle da potência ativa em função da frequência é útil para o controle da frequência das redes elétricas autônomas. Embora este modo de controle não esteja necessariamente associado à necessidade de controle do fator de potência das instalações, é interessante inclui-lo aqui.

A figura a seguir mostra uma curva de potência ativa (P) em função da frequência da rede (f). Nos sistemas fotovoltaicos ligados à rede de distribuição a frequência não é uma variável que pode ser alterada. Nas redes autônomas, entretanto, a frequência do barramento pode elevar-se se houver excesso de potência ativa. Esse aumento de frequência pode ser contido pela limitação da potência de saída do inversor.

Controle P x U – limitação da potência ativa

O controle da potência ativa em função da tensão é semelhante ao modo anterior, porém a variável de referência é a tensão do barramento e não a frequência.

Controle da potência reativa

A figura a seguir ilustra a situação em que o inversor fornece simultaneamente potências ativa e reativa para a rede elétrica. As quantidades de P e Q podem ser controladas conforme a necessidade da instalação.

Os valores de P e Q podem ser determinados por um sistema supervisório e de controle externo ao inversor. A quantidade de potência reativa injetada pelo inversor deve respeitar sua curva de capacidade.