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Medidores inteligentes de energia em sistemas fotovoltaicos

Com medidores inteligentes é possível realizar a gestão energética completa de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica

Autor: 13 de maio de 2021Artigos técnicos
Medidores inteligentes de energia em sistemas fotovoltaicos

Os medidores inteligentes são medidores bidirecionais de energia que, ao serem instalados em sistemas fotovoltaicos, possibilitam monitorar e controlar a exportação de energia para a rede elétrica, entre outras coisas.

Esse dispositivo acaba sendo um grande agregador para o portfólio de projetos de energia solar fotovoltaica.

As três principais aplicações destes medidores são o gerenciamento energético, a realização da estratégia zero grid e o controle do limite de potência do sistema fotovoltaico.

Gerenciamento energético

Com medidores inteligentes é possível realizar a gestão energética completa de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica. Além de monitorar a produção de energia, o medidor registra na plataforma de monitoramento os valores de consumo de energia (auto-consumo), energia exportada (energia injetada) e energia importada (energia solicitada da rede), conforme os gráficos mostrados a seguir.

Gráficos de geração, exportação, importação e consumo de energia elétrica extraídos de um portal de monitoramento conectado a um medidor inteligente. Fonte- Growatt

Gráficos de geração, exportação, importação e consumo de energia elétrica extraídos de um portal de monitoramento conectado a um medidor inteligente. Fonte: Growatt

O medidor inteligente precisa ser instalado entre as cargas locais e a rede elétrica, pois só assim será possível mensurar os fluxos de potência que estão indo para a rede elétrica (ou vindo dela) e que estão sendo consumidos pela carga, como mostra a ilustração da figura a seguir. 

Na figura observa-se que o medidor realiza a interface entre o sistema e a rede elétrica. A energia exportada para a rede elétrica é registrada pelo medidor. A energia exportada é igual à energia produzida (registrada pelo inversor) menos a energia consumida pelas cargas.

Indiretamente, com o medidor localizado na posição mostrada na ilustração, podemos conhecer a energia consumida pelas cargas. O medidor registra a energia exportada para a rede ou importada dela.

O inversor registra a energia produzida a partir dos módulos fotovoltaicos. A diferença entre as duas é a energia consumida pelas cargas locais. 

Caso a energia produzida pelo sistema fotovoltaico seja menor do que a energia consumida pelas cargas, o resultado da energia exportada será negativo, ou seja, estamos na realidade importando energia da rede elétrica.

Instalação do medidor inteligente para o monitoramento dos fluxos de potência da instalação fotovoltaica. Fonte: Growatt

Todas essas informações da instalação são enviadas em tempo real para a nuvem através de uma comunicação entre o inversor e o medidor via RS485. E o inversor utiliza um módulo Wi-Fi ou uma conexão Ethernet para enviar os dados para a nuvem.

Uma das funções muito utilizadas dessa solução é o controle de exportação de energia. Isso significa que podemos definir um limite de potência para exportação à rede. Esse limite pode, inclusive, ser nulo – significando que o sistema fotovoltaico nunca vai exportar qualquer energia para a rede elétrica, no que chamamos de operação zero grid.

Solução zero grid

A solução zero grid refere-se a uma estratégia de operação do sistema fotovoltaico na qual a energia exportada é nula — a qualquer instante a potência exportada para a rede é zero. Isso significa que em nenhum momento o sistema vai enviar qualquer excedente de energia para a rede elétrica.

Esta solução é muito utilizada em projetos nos quais não é permitido injetar excedente de energia na rede elétrica e projetos voltados para autoconsumo, nos quais não se deseja exportar energia na rede.

Esta estratégia pode ser viabilizada com o uso de um medidor inteligente como o mostrado na figura anterior. O medidor monitora continuamente a potência na conexão com a rede e envia esta informação ao inversor, que deve estar configurado para operar no modo zero grid. 

Para que a energia exportada seja igual a zero, a energia produzida e a energia consumida pelas cargas devem ser iguais. 

Não é possível controlar a energia consumida pelas cargas, mas é possível realizar o controle da energia produzida pelo sistema fotovoltaico. Na estratégia de controle zero grid o inversor vai entregar na sua saída um valor de potência sempre igual ao consumo instantâneo das cargas. 

Mesmo que a potência disponível do sistema fotovoltaico seja superior, o inversor vai limitar sua potência de saída para que seja igual às potências das cargas.

Caso a potência disponível pelo sistema solar seja inferior à necessidade das cargas, a rede elétrica fornecerá o complemento necessário. O sistema zero grid está configurado apenas para evitar a exportação de energia para a rede, mas permite a importação de energia.

Gráficos mostrando a operação zero grid de um sistema fotovoltaico, sendo nula a potência exportada a qualquer instante de tempo. Para tanto, a potência do inversor deve ser modulada continuamente de acordo com a necessidade da carga. Fonte: Growatt

Mesmo sendo uma solução em que não há injeção de energia na rede, muitas pessoas acabam confundindo a operação zero grid com um sistema off-grid. Porém, o projeto continua sendo um sistema on-grid ou grid-tie, porém controlado para evitar a exportação de energia. A importação de energia, no entanto, é permitida.

Durante a noite também ocorre o monitoramento do sistema, como mostra o gráfico a seguir. Isso significa que é realizada a leitura dos valores de consumo durante a noite também, quando não há produção solar disponível.

Gráficos mostrando a operação noturna de um sistema fotovoltaico com medidor inteligente. Na ausência de geração solar, o medidor registra a importação de energia da rede elétrica, que é a energia consumida pelas cargas locais. Fonte: Growatt

Gráficos mostrando a operação noturna de um sistema fotovoltaico com medidor inteligente. Na ausência de geração solar, o medidor registra a importação de energia da rede elétrica, que é a energia consumida pelas cargas locais. Fonte: Growatt

Limite de potência

Uma outra opção para os projetos fotovoltaicos é limitar a potência exportada de acordo com um valor desejado. É possível escolher qual é a potência máxima de exportação do sistema. Esse modo de operação é muito semelhante ao anterior, com a exceção de que neste caso permite-se a exportação de energia.

Por exemplo, podemos definir que a potência exportada máxima seja 5 kW. A potência máxima que o inversor poderá atingir então será igual a 5 kW mais a potência exigida pelas cargas locais.

Se as cargas estiverem com uma demanda de 10 kW, o valor máximo que o inversor poderá alcançar será de 15 kW, pois 10 kW serão destinados para as cargas e 5 kW serão exportados para a rede elétrica.

Mesmo que o sistema fotovoltaico tenha uma disponibilidade naquele momento de 20 kW, o máximo que o inversor vai entregar na sua saída será 15 kW, pois estaremos respeitando o limite de exportação configurado. 

Esta solução é muito utilizada em projetos que não podem exceder um determinado valor de exportação de energia pois há alguma limitação física na rede elétrica.

Solução para usinas com mais de um inversor instalado

A solução apresentada anteriormente, baseada em equipamentos do fabricante Growatt, com a utilização do medidor inteligente, é compatível com apenas um inversor. 

Quando instalamos mais de um inversor no projeto é necessário utilizar um gerenciador de energia inteligente (Smart Energy Manager), disponível apenas para sistemas trifásicos, como o mostrado na figura a seguir. O Smart Energy Manager possui a capacidade de monitorar e controlar até 32 inversores. 

Smart Energy Manager. Fonte: Growatt

Por conta do maior tamanho da usina, a medição de corrente do Smart Energy Manager é feita através de transformadores de corrente (TCs), que normalmente já são fornecidos pelo próprio fabricante do equipamento. No caso das soluções da Growatt, por exemplo, os TCs são fornecidos com especificações adequadas para três tamanhos de projetos: 100 kW, 300 kW e 600 kW. 

Diagrama de uma instalação fotovoltaica com um gerenciador inteligente de energia. Fonte: Growatt

Neste tipo de instalação, os inversores conectam-se ao Smart Energy Manager através de uma rede de comunicação RS485. O gerenciador inteligente envia e recebe as informações dos inversores.

Nesta solução, não é necessário instalar um módulo de comunicação Wi-Fi ou Ethernet em cada um dos inversores, pois o envio de dados para a nuvem é feito pelo Smart Energy Manager.

Conexões dos cabos de RS485 comunicação entre inversores e o Smart Energy Meter. Fonte: Growatt

Vários fabricantes disponibilizam módulos de controle que permitem o gerenciamento da energia elétrica em grandes sistemas fotovoltaicos. Neste artigo exemplificamos a solução Smart Energy Manager, da Growatt, com a qual é possível monitorar e gerenciar grandes projetos de energia solar fotovoltaica. 

Mesmo que o projeto não necessite do controle de exportação, é muito valioso ter um gerenciador inteligente de energia para o gerenciamento e o monitoramento energético do sistema por completo, garantindo melhor suporte, relatórios mais completos e melhorando a experiência do cliente final ao monitorar toda a sua usina.

Guilherme Peterlini

Guilherme Peterlini

Service Engineer na Growatt New Energy. Engenheiro eletricista formado pela FEI, trabalha com energia solar fotovoltaica desde 2017. Possui experiência com treinamentos técnicos com parceiros, suporte técnico avançado, manutenção e testes de nossos inversores.

Um comentário

  • Parabéns Guilherme!! Objetivo com uma linguagem didática e acessível.

    As pessoas dizem que entendem o que é o auto-consumo até chegar a conta de luz…e com ela a pergunta e afirmação!? ‘O meu inversor produziu 1000kwh, mas na conta só tem 600kwh?? ” Lógico, a boa explicação no nascimento do projeto deveria ser suficiente, mas se os equipamentos tivessem a possibilidade de medir o consumo (com o embarque de tecnologia adequada) o gerenciamento do sistema traria mais confiança.

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