Proteção de anti-ilhamento dos inversores fotovoltaicos

Um dos requisitos obrigatórios para inversores fotovoltaicos é ser munido de proteção contra ilhamento não intencional.

Ilhamento não intencional se trata da operação indevida de geradores fotovoltaicos na ausência da rede elétrica provida pela concessionária local, como mostrado na figura 1.

O ilhamento não intencional, em geral, possui um número de ocorrências pequeno. Mesmo assim, os inversores conectados à rede elétrica precisam estar preparados para lidar com esse problema.

Como a energia da área isolada não é mantida e nem regulada pela concessionária, a tensão e a corrente podem variar de tal forma que danifiquem as cargas mais sensíveis de consumidores e equipamentos da própria rede elétrica de distribuição.

Além disso, a presença do gerador fotovoltaico conectado a uma rede de distribuição desligada poderia colocar pessoas em risco.

O limite de tempo para detecção e desconexão por ilhamento é de até 2 segundos, definido na norma ABNT NBR 16149 – Sistemas fotovoltaicos – Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição.

Detecção do ilhamento

A detecção de ilhamento é feita pelos sistema de controle embutido no inversor. Os métodos de detecção de ilhamento podem ser classificados como ativos e passivos. Os métodos passivos baseiam-se na observação do estado da rede elétrica, verificando se o sistema está ilhado com base na medição da tensão e da frequência da rede.

A rede elétrica pode sofrer perturbações quando o sistema está ilhado. Essas perturbações dependem da relação entre as potências ativa e reativa que o inversor injeta e que a carga utiliza. A figura 2 mostra o circuito elétrico equivalente de um sistema fotovoltaico no momento do ilhamento.

Durante o funcionamento normal do sistema a carga consome a soma da potência injetada pelo inversor (P,Qinversor) e a potência fornecida pela rede de distribuição (quando houver e representada por P,Qrede). Ou seja, em funcionamento normal: P,Qcarga = P,Qinversor + P,Qrede.

No instante em que o fornecimento de energia pela rede de distribuição cessa, o inversor ainda está alimentando as cargas locais, representadas pelo conjunto RLC. Quando não houver mais influência da rede da concessionária (P,Qrede = 0, sistema desconectado) a tensão do sistema vai variar obedecendo à relação entre a potência ativa fornecida pelo inversor (Pinversor) e a potência ativa que a parte resistiva do sistema consome (Pcarga).

Na ocorrência do ilhamento, a frequência da corrente injetada no sistema ilhado também vai variar, respeitando a relação entre a potência reativa fornecida pelo inversor (Qinversor) e a potência reativa consumida pela capacitância e pela indutância equivalentes da carga (Qcarga).

Como muito raramente o inversor se encontrará alimentando uma rede em que tanto a potência ativa como a reativa geradas por eles estejam perfeitamente casadas com a carga alimentada, os métodos passivos costumam ser suficientes para a detecção do ilhamento.

Mesmo assim, a norma de inversores fotovoltaicos obriga a existência de métodos ativos, que teoricamente são capazes de detectar qualquer situação de ilhamento, mesmo que ocorra o casamento perfeito entre a geração do inversor e o consumo local (hipótese na qual o ilhamento não seria percebido pelos métodos passivos).

Tabela 1 – Relação entre as potência ativa e reativa no instante do ilhamento e seu efeito elétrico no sistema

Se a potência injetada pelo inversor for exatamente igual à consumida pela carga é possível que o sistema continue operando de forma ilhada. A figura 3 mostra um experimento feito em laboratório com um inversor no qual foi possível desligar a proteção de ilhamento. Isso não é possível nos inversores comerciais, mas apenas nos inversores desenvolvidos em laboratório.

A carga foi intencionalmente sintonizada para que as potências ativa e reativa que o inversor injeta fossem iguais à consumida. Ou seja, este é o caso em que o inversor não percebe a ausência da rede de distribuição elétrica e continua alimentando a carga local de forma ilhada, pois, nenhuma alteração elétrica é produzida na rede após a ocorrência do ilhamento.

Somente métodos de detecção ativos (que neste caso estavam desligados) são capazes de detectar o ilhamento nesta situação muito particular. Neste teste as cargas consumidoras são representadas por uma carga RLC (resistor, indutor e capacitor em paralelo) capaz de absorver toda a potência fornecida por quatro inversores fotovoltaicos (todos eles com seus sistemas de detecção de ilhamento desligados).

Observa-se que, como as potências injetadas e consumidas são idênticas, não houve variação da tensão e da frequência da ilha, que se manteve em torno de 60 Hz. Sem um sistema de anti-ilhamento ativado esta situação poderia perdurar durante um longo tempo, o que é proibido pelas normas.

Na figura 3 o gráfico superior (vermelho) mostra a tensão no ponto de conexão dos inversores com a instalação elétrica. O gráfico inferior (azul) mostra a corrente elétrica consumida pela carga. O ilhamento (desligamento da rede de distribuição) ocorreu no instante destacado no gráfico.

Observamos que nenhuma alteração ocorreu na frequência ou na amplitude da tensão elétrica e os inversores continuaram alimentando a carga de forma ilhada. Para garantir que o inversor não opere ilhado em hipótese alguma, é necessário o emprego de métodos ativos de detecção.

Os métodos ativos utilizam perturbações diretas no ponto de conexão para desestabilizar algum dos parâmetros da rede quando houver um ilhamento. A medição do efeito dessa perturbação é utilizada como critério para o inversor detectar o ilhamento ou não.

Cada inversor usa alguma combinação dessas duas abordagens (ativa e passiva), normalmente robusta o suficiente para evitar a injeção indevida de energia em momentos de falha da rede elétrica principal.

Zona de não detecção

Para evitar que o inversor se desligue por qualquer variação de tensão e frequência da rede da concessionária a norma NBR 16149 estabelece uma faixa de variação de tensão e da frequência em que o inversor poderá continuar operando. Estas faixas de operação podem ser descritas através da zona de não detecção (ZND) destacada no gráfico abaixo.

A zona retangular na figura 4 representa as faixas de variação que o inversor deve suportar sem que haja ativação da proteção de anti-ilhamento. A variação de potência ativa está representada pelos limites UV (undervoltage – subtensão) e OV (overvoltage – sobretensão). A variação de potência reativa está representada pelos limites UF (under frequency – sub-frequência) e OF (over frequency – sobre-frequência). Para garantir a segurança do sistema a NDZ do inversor deve respeitar os limites de variação definidos pela norma NBR 16149.

Conclusão

Entretanto, quanto mais inversores houver, novos problemas aparecem. Um deles consiste em interferência mútuas entre inversores de forma que um equipamento prejudique medidas de proteção de outros inversores [2]. Novos estudos estão sendo feitos para mitigar tais interferências para que minimize a probabilidade de ocorrência de ilhamento não intencional na presença de múltiplos inversores conectados em uma mesma área.

Referência

• M. V. G. dos Reis, “Estudo e implementação de estratégias de detecção de ilhamento em inversores para sistemas fotovoltaicos de geração distribuída” – tese de mestrado, Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), 2016