Nova geração de inversores com AFCI da GoodWe

O inversor é um dispositivo essencial para a conversão CA/CC e monitoramento da rede elétrica em sistemas de geração de energia fotovoltaica. No entanto, possíveis arcos elétricos em corrente contínua (CC) podem causar danos aos componentes e representar um risco de incêndio.

Este artigo apresenta uma solução de proteção baseada em testes de laboratório que monitoram e analisam arcos elétricos em CC, com o intuito de proteger o sistema fotovoltaico e garantir a segurança humana.

Os resultados dos testes mostram que essa solução pode melhorar efetivamente a confiabilidade do inversor e a segurança dos operadores, de modo a evitar danos aos equipamentos do sistema, à propriedade local e, principalmente, prevenir acidentes causados por arcos elétricos em CC.

Contexto

De acordo com os dados mais atuais, a capacidade fotovoltaica instalada globalmente foi de aproximadamente 240 GW em 2022, com uma capacidade instalada acumulada de 1,2 TW em todo o mundo. Como um dos dispositivos centrais no sistema fotovoltaico, os inversores estão passando por constantes atualizações tecnológicas e inovações com o contínuo amadurecimento e desenvolvimento do mercado fotovoltaico. O aumento da confiabilidade dos inversores é uma tendência importante no desenvolvimento da tecnologia de conversão e tem um impacto crucial na geração de energia e segurança de sistemas fotovoltaicos.

Durante a operação do sistema fotovoltaico, o arco elétrico CC representa um sério risco à segurança da usina e tem recebido uma atenção crescente em aplicações práticas. As estatísticas mostram que a maioria dos incidentes de incêndio em usinas fotovoltaicas são causados por arcos elétricos CC. Isso demonstra ainda mais a importância de fortalecer o monitoramento de segurança e a proteção contra arcos CC no sistema fotovoltaico.

Atualmente, não há uma solução unificada ou política regulatória internacional para a regulamentação e formulação de padrões para testes de falha de arco CC em sistemas fotovoltaicos. Os Estados Unidos foi o primeiro país a começar a pesquisar e desenvolver padrões para problemas de incêndio em sistemas fotovoltaicos. A UL (Underwriters Laboratories) emitiu o padrão UL Outline pela primeira vez em 2011 e o atualizou várias vezes.

A versão mais recente é a UL 1699B-2018. Esta norma especifica os requisitos de teste e indicadores de desempenho para dispositivos de proteção contra falhas de arco (AFCI) em sistemas fotovoltaicos. A edição de 2017 do National Electrical Code (NEC) introduziu pela primeira vez os requisitos para AFCIs, estipulando que dispositivos AFCI em conformidade com o padrão UL 1699B devem ser instalados em circuitos de CC de sistemas fotovoltaicos.

Além disso, as especificações de instalação de sistemas fotovoltaicos em vários países europeus têm aumentado gradualmente os requisitos para a introdução de AFCIs com base na norma IEC 63027. Com a crescente ênfase na segurança operacional de usinas fotovoltaicas, a tecnologia de teste e proteção contra falhas de arco CC em sistemas fotovoltaicos tornou-se um requisito a ser seguido pelos fabricantes de inversores.

Portanto, desenvolver uma solução eficaz de teste de falha de arco em CC para avaliar e desenvolver inversores, visando melhorar a confiabilidade e segurança de sistemas fotovoltaicos, tornou-se um dos campos de pesquisa mais relevantes, atualmente, no setor.

Análise teórica

Formação de arcos elétricos

O arco elétrico refere-se a um fenômeno luminescente produzido pela descarga do ar ionizado ao romper a rigidez dielétrica entre dois condutores com diferença de potencial, quando a distância entre eles é relativamente pequena. Quando a corrente fornecida pelo sistema fotovoltaico é interrompida, como por exemplo em um sistema de chaveamento, a alta tensão entre os condutores irá produzir um arco elétrico com capacidade de emitir um calor intenso e atingir temperaturas elevadas.

Embora os condutores estejam desconectados nesse ponto, a corrente continuará a fluir através do arco elétrico entre eles. Devido à característica de corrente constante no lado CC, é difícil extinguir o arco elétrico após a sua formação. O arco elétrico só desaparecerá quando a distância entre os condutores for suficientemente longa ou quando o fluxo de corrente pelo circuito for interrompido. Uma maneira eficaz de extinguir arcos CC em sistemas fotovoltaicos é, justamente, interrompendo o fluxo de corrente pelo circuito.

Classificação de arcos elétricos

Os arcos elétricos em sistemas fotovoltaicos podem ser divididos em três tipos: arco em série, arco em paralelo e arco para a terra.

Arco em Série

Ocorre nos cabos CC de um mesmo circuito com a corrente fluindo através deles, geralmente devido a pequenos espaçamentos entre conectores soltos ou mal crimpados.

Arco em Paralelo

Ocorre entre os polos positivo e negativo de um arranjo ou dispositivo, normalmente devido a danos nos cabos ou conexões soltas dentro de string boxes ou outros pontos do circuito.

Arco para a terra

Ocorre entre os cabos positivos ou negativos e componentes diretamente conectados ao aterramento. Na maioria das vezes, isso acontece devido a falhas ou danos no isolamento dos condutores.

Os sistemas fotovoltaicos possuem algumas características inerentes que tornam os arcos em série em CC mais propensos a ocorrer, como alta tensão CC, ambientes de instalação ao ar livre, etc. Devido a alta tensão elétrica em corrente contínua, os sistemas fotovoltaicos são altamente propensos a sofrerem com arcos elétricos em série.

Os arcos CC em sistemas FV possuem a s seguintes características:

O arco elétrico é um fenômeno de descarga de alta potência. Acompanhado pelo arco, uma grande quantidade de energia elétrica é convertida em energia térmica, resultando em temperaturas extremamente altas em sua proximidade.

O arco elétrico é um fenômeno de descarga auto-sustentada, ele pode manter a sua combustão estável por um longo período sem se extinguir e não necessariamente apenas em condições de alta corrente ou alta tensão.

O arco é um plasma muito leve. O fluxo de gás na região do arco, incluindo a convecção natural e o campo magnético gerado pelo ambiente externo e, até mesmo, a própria corrente do arco, podem fazer com que o aspecto físico do arco seja remodelado com frequência.

A intensidade do arco aumenta com o incremento da tensão, corrente e espaçamento, enquanto a estabilidade diminui com o aumento do espaçamento. A curva característica do arco é mostrada na figura abaixo.

A maioria dos sistemas fotovoltaicos atuais é projetada com base em tensões de 600Vcc a 1500Vcc, sendo geralmente empregados módulos de alta corrente de 182/210mm, todos operando sob correntes de 14A ou superior. Portanto, uma vez que o arco elétrico é gerado, há uma alta probabilidade do surgimento de chamas abertas e originar um incêndio.

Normas relacionadas

Atualmente, as principais normas internacionais para AFCI em sistemas fotovoltaicos incluem:

Padrão UL Outline: o padrão UL Outline foi emitido pela UL pela primeira vez em 2011 e atualizado posteriormente UL 1699B: diversas vezes. A versão mais recente é a UL 1699B-2018. Esse padrão especifica os requisitos de teste e os indicadores de desempenho dos dispositivos de proteção contra falha de arco (AFCI) em sistemas fotovoltaicos.

Padrão IEC 63027: o padrão internacional desenvolvido pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) em 2017, especificando os requisitos de desempenho finais para AFCI em sistemas de geração de energia fotovoltaica.

Padrão AS/NZS O 5033: padrão emitido pela Austrália e Nova Zelândia pela primeira vez em 2019, sob o código AS/NZS 5033:2019, especifica os requisitos funcionais e os métodos de teste para AFCI em sistemas fotovoltaicos.

NE C 2017 Seção 690.11: a edição 2017 do Código Elétrico Nacional (NEC) introduziu pela primeira vez os requisitos para AFCI, estipulando que dispositivos AFCI em conformidade com o padrão UL 1699B devem ser instalados em circuitos CC de sistemas fotovoltaicos.

Padrão CSA C22.2 No. 293: norma de segurança para sistemas fotovoltaicos emitido pelo CSA Group of Canada. Desde a edição de 2019, ela incorporou os requisitos funcionais e as provisões de testes de dispositivos AFCI, requerendo referência ao padrão UL 1699B.

Além disso, as especificações para instalação de sistemas fotovoltaicos em vários países europeus têm aumentado gradualmente a introdução de AFCIs nos requisitos, com referência à norma IEC 63027.

Em resumo, as normas UL 1699B e IEC 63027 são atualmente as duas principais normas internacionais relacionadas com detecção e proteção AFCI. Elas possuem uma alta consistência na definição das funções AFCI, requisitos técnicos, métodos de teste, entre outros. As normas em outros países e regiões, geralmente, se referem ou fazem referência a essas duas normas. Isso ajuda a promover a interoperabilidade e a internacionalização da tecnologia e dos produtos AFCI.

Os requisitos específicos para parâmetros-chave variam entre as diferentes normas AFCI. Em comparação, o padrão UL 1699 tem os requisitos mais rigorosos e detalhados para desempenho e tecnologia AFCI. A IEC 63027 adotou basicamente a regra da UL 1699, mas deixa em aberto alguns requisitos numéricos específicos. A norma AS/NZS 5033 refere-se principalmente aos requisitos técnicos da UL 1699, mas não exige níveis de produtos de alta tecnologia e concentra-se mais em produtos AFCI básicos. Alguns dos principais parâmetros da, mais rigorosa, norma UL1699B são os seguintes:

De modo geral, todos esses requisitos propõem características mínimas de dispositivos de AFCI, como velocidade de resposta, sensibilidade de detecção e alcance de proteção. O que incentiva o aprimoramento da tecnologia AFCI e otimiza o desempenho de produtos seguros no setor.

Solução

Quando há danos (na moldura do módulo, isolamento dos cabos, conectores CC, etc ) que levam à ocorrência de um arco elétrico em qualquer posição do lado CC, de acordo com a Lei de Joule, o efeito térmico no ponto de curto-circuito é diretamente proporcional ao quadrado da corrente, de modo que quanto maior a corrente, maior será o risco de incêndio.

Portanto, uma maneira eficaz de reduzir esse risco é desconectar o inversor da rede CA, interrompendo a conversão de CC para CA e, consequentemente, interrompendo o fluxo de corrente nos arranjos fotovoltaicos e o arco elétrico. Em inversores com dispositivos AFCI, a desconexão da rede CA é feita automaticamente pelo inversor ao entrar em modo de falha, deixando de realizar a conversão.

Como identificar falhas de arco?

Consequentemente, a chave para a função de proteção contra arco elétrico CC em sistemas fotovoltaicos é identificar a característica da corrente do arco elétrico e interromper prontamente o fluxo de corrente CC nos arranjos fotovoltaicos.

Essencialmente, um arco elétrico ocorre quando há quebra da rigidez dielétrica de um gás devido a um forte campo elétrico entre condutores, formando um plasma contínuo que produz radiação ultravioleta intensa e calor intenso. Os mecanismos e locais de possíveis ocorrências de arco elétrico em sistemas fotovoltaicos são diversos. Portanto, a característica da corrente de um arco elétrico geralmente é identificada por meio de medição e utilização de métodos de análise espectral.

Devido à ionização do ar durante o arco elétrico, o plasma estará em um estado desordenado e a corrente que flui através do arco apresentará fortes flutuações. Essa corrente altamente volátil produz uma faixa de ruído muito ampla no espectrograma, conhecida como “ruído branco” na análise espectral, enquanto a corrente contínua normal, sem interferência, mostra um estado relativamente estável.

Conforme mostrado na figura abaixo, o espectro de corrente contínua normal mostra apenas a frequência de comutação do inversor quando não há arco elétrico. No entanto, uma certa “frequência de ruído” aparecerá a partir do momento em que o arco elétrico surgir, e uma “frequência de ruído” ainda mais desordenada será gerada durante o arco elétrico contínuo.

Quando o inversor está operando com a função de proteção contra arco elétrico em CC ativada, ele realiza o teste da corrente de entrada de cada string em tempo real. Ao identificar uma curva característica de um arco elétrico (conforme mostrado acima), o inversor entra automaticamente em modo de falha, desconectando-se da rede CA e reportando um erro no sistema de monitoramento. Consequentemente, o fluxo de corrente no lado de CC é interrompido e o arco elétrico é extinguido a tempo e com segurança.

Características técnicas

A GoodWe foca, desde a sua criação, em questões de segurança para usinas de energia solar fotovoltaica e busca melhorar continuamente a tecnologia AFCI, incluindo algoritmos e testes de precisão. Após várias mudanças tecnológicas, houve um avanço significativo nas funções de identificação de arco elétrico em CC embarcadas nos inversores GoodWe, e recentemente foi lançada uma nova geração de tecnologia AFCI, denominada AFCI 3.0.

Inteligência artificial integrada com aprendizado profundo

Diferente da solução tradicional, em que os algoritmos de identificação de arco e as configurações de limite são baseados em dados teóricos, o AFCI da GoodWe calcula e analisa dados em massa, aprendendo com características de arcos reais ocorridos em campo e formando uma biblioteca de comportamento de arcos. Isso visa eliminar alertas falsos causados por ruídos ambientais. A inteligência integrada inclui aprendizado profundo, permitindo que o sistema aprenda automaticamente e aprimore continuamente os espectros encontrados na prática, adaptando-se a diferentes cenários.

Poderosa capacidade de aquisição de dados

O AFCI da GoodWe possui um sensor específico para arcos em CC, que proporciona uma precisão poderosa na aquisição de dados das características dos arcos encontrados na prática. Uma vez que o arco é identificado, ele é prontamente reportado ao chip, permitindo uma resposta rápida e eficiente.

Adaptável e flexível

Em conformidade com diferentes requisitos de comprimento de cabo e corrente de operação de módulos fotovoltaicos de alta potência utilizados em grandes usinas, o AFCI da GoodWe possui uma detecção de amplo alcance e é capaz de interromper o fluxo de corrente em poucos milissegundos, superando significativamente o desempenho mínimo exigido pela UL 1699B.

Verificação de desempenho

A fim de avaliar com precisão o nível de desempenho da tecnologia AFCI 3.0 da GoodWe, a certificadora TÜV Rheinland estabeleceu uma equipe de verificação para realizar uma validação minuciosa das tecnologias aplicadas pela GoodWe em seus equipamentos. O processo de avaliação utilizado está apresentado abaixo.

Análise das demandas de aplicação de AFCI

Conteúdos avaliados: avaliar se os cenários de aplicação são abrangentes e se as aplicações em cada cenário são apropriadas e atendem às necessidades práticas reais do setor fotovoltaico.

Método de avaliação: avaliação documental.

Avaliação do mecanismo de AFCI

Conteúdos avaliados: avaliar se a solução técnica cumpre os requisitos previstos para o cenário e se os indicadores de desempenho demonstram avanço tecnológico.

Método de avaliação: avaliação documental + teste e verificação realizados em laboratório.

Verificação do desempenho do AFCI

Conteúdos avaliados: distância de detecção de arco, corrente de entrada máxima, energia detectada, tempo de desligamento e corrente de operação máxima.

Método de verificação: em laboratório e testemunho local, teste e verificação.

Avaliação minuciosa dos resultados

Conteúdos avaliados: distância de detecção de arco, corrente de entrada máxima, energia detectada, tempo de desligamento e corrente de operação máxima.

Método de verificação: em laboratório e testemunho local, teste e verificação.

Avaliação das demandas de aplicação e soluções técnicas

A GoodWe aplica principalmente a tecnologia AFCI em produtos para sistemas fotovoltaicos residenciais, comerciais e industriais (C&I), com cenários de utilização claros e em conformidade com políticas e padrões locais.
Durante os testes, a GoodWe demonstrou indicadores técnicos adequados e soluções eficientes.

Por meio da revisão, a equipe de verificação chegou à conclusão de que as soluções técnicas propostas pela GoodWe superam os padrões técnicos normativos e de mercado para identificar e extinguir falhas de arco CC prontamente. A solução AFCI 3.0 desenvolvida e apresentada oferece hardware e software robustos e precisos tanto para a simulação e teste de dispositivos AFCI, quanto para o desenvolvimento e construção de dispositivos dentro de seus padrões de qualidade.

Verificação de desempenho

Com base nos indicadores técnicos desenvolvidos pela GoodWe e nos requisitos de avaliação de classificação de segurança mencionados anteriormente, a equipe de verificação aprovou a solução de teste apresentada em laboratório e no local, que está em conformidade com os padrões internacionais de referência.

Teste e validação de AFCI

De acordo com o plano acima e através de baterias testes em repetição, os resultados da verificação são os seguintes:

Resultado dos Testes e Verificação de Desempenho do AFCI:

Avaliação final

Com base nos resultados da avaliação técnica e dos testes, podemos chegar à seguinte conclusão:

1. A tecnologia AFCI 3.0 da GoodWe possui avanço tecnológico, indicadores adequados e desempenho confiável e estável nos testes realizados;
2. O AFCI atende aos requisitos de desempenho das normas atuais mais relevantes, como a US NEC 2020 e a UL1699B, com alguns indicadores superando os requisitos padrões;
3. Os inversores string da GoodWe, integrados com função AFCI, podem eliminar e prevenir efetivamente os riscos de arco elétrico e incêndios em sistemas fotovoltaicos, além de reduzir as perdas materiais e humanas;
4. Os inversores string da GoodWe, integrados com função AFCI, podem identificar e eliminar efetivamente os arcos elétricos e, dessa forma, prevenir incêndios em sistemas fotovoltaicos, eliminando as perdas materiais e garantindo a segurança humana.

Conclusão

Com base na análise acima, fica evidente que os inversores fotovoltaicos estão se tornando mais inteligentes, digitais e seguros. Através do estudo da norma europeia (IEC 63027) e de padrões internacionais relevantes, a tecnologia de teste e identificação de arcos elétricos em corrente contínua se mostra como a chave para garantir a segurança de sistemas fotovoltaicos. Os fabricantes, instaladores e órgãos reguladores em regiões além dos Estados Unidos e Europa também devem trabalhar em estreita colaboração para desenvolver e cumprir padrões e especificações relevantes, a fim de garantir que os sistemas fotovoltaicos atendam aos mais altos padrões de segurança durante o projeto, instalação e operação.

Com o desenvolvimento e expansão da tecnologia fotovoltaica, a tecnologia de proteção contra arcos elétricos em sistemas fotovoltaicos está em constante evolução e avanço. Esperamos que este artigo desempenhe um papel positivo no impulso ao desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos seguros e na promoção da cooperação industrial e compartilhamento de conhecimento. Através de esforços colaborativos, temos confiança em estabelecer um sistema fotovoltaico mais confiável, seguro e sustentável, contribuindo assim para o futuro promissor da energia limpa.

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