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Conexões de mais de 2 strings em 1 MPPT

Fabricantes usam inversores com chaves de proteção CC em diferentes configurações de MPPT

Autor: 29 de abril de 2022maio 4th, 2022Opinião
Conexões de mais de 2 strings em 1 MPPT

Utilizar no máximo 2 strings por MPPT em inversores string é a melhor solução técnica. Foto: EnvatoElements

Sob o viés de diminuição de preço dos inversores solares e atendimento às últimas versões de placas fotovoltaicas bifaciais de maior potência, estas ultrapassando mais de 650 Wp e correntes MPPT acima de 15 A, vários fabricantes vêm utilizando seus inversores com chaves de proteção CC em diferentes configurações de MPPT. 

Muitos especialistas do setor discutiram os recursos de proteção das chaves do lado CC e sua conformidade com os padrões técnicos.

A principal controvérsia concentra-se no design do sistema onde “o número de strings conectadas em um único MPPT excede 2 strings”. 

É segura para o sistema apenas a proteção conferida pelas chaves de isolamento CC? Ou há necessidade de adicionar dispositivos de proteção, como fusíveis ou disjuntores, quando a configuração do equipamento permite a conexão de 3 ou mais entradas no mesmo MPPT? 

Atualmente, muitos inversores string têm usado a concentração de mais de 2 strings em um mesmo MPPT devido ao aumento da potência das placas fotovoltaicas. Mas qual é a capacidade real de proteção dos mesmos? 

A equipe de P&D da fabricante TBEA realizou em seu laboratório e plantas fotovoltaicas testes de conexão inversa e corrente reversa para verificar o desempenho no quesito segurança das chaves CC atualmente utilizadas no mercado, de modo a demonstrar como esse tipo de configuração interage com o restante do sistema em uma situação de falha.

1) Verificação e teste em cenário de conexão inversa

Na própria construção, instalação, operação e manutenção do inversor, muitas vezes ocorrem conexões incorretas, que produzem efeitos como curtos-circuitos, inversão de polaridade, entre outros, o que traz riscos à segurança, tanto do sistema quanto dos operadores. 

Portanto, a capacidade de proteção do sistema conferida pelas funções do equipamento é extremamente crítica.

Nos testes realizados pela TBEA, cada MPPT do equipamento selecionado foi conectado com 5 strings de módulos fotovoltaicos, com a corrente de uma única string de aproximadamente 20 A. 

Uma string do equipamento selecionado foi testada mediante situação de conexão inversa dos pólos positivo e negativo. Após a conexão incorreta, a string de conexão reversa se soma com as outras 4 strings. 

No loop, as correntes das outras 4 strings “alimentam” a string incorretamente conectada, formando uma corrente de retorno de cerca de 70 A.

Figura 1 – Fluxo de corrente do MPPT e entradas sob teste

Após o primeiro teste, a chave de proteção CC operou, porém o disparo só ocorreu após 240 ms, tempo consideravelmente maior que os 15 ms anunciados pelo fabricante.

Após o segundo teste, a chave de proteção CC falhou em operar e a corrente de retorno existente ocasionou um brusco aumento na temperatura dos componentes da string correspondente. A temperatura do diodo de um dos componentes excedeu 150 ℃, efetivamente queimando.

Figura 2 – Fotografia termográfica do ponto onde ocorreu ruptura do diodo por excesso de temperatura

2) Verificação e testes em cenário operacional

Adicionalmente, devido à grande área ocupada por módulos fotovoltaicos nas usinas, vários fatores, como iluminação desigual, sombreamento e envelhecimento dos módulos fotovoltaicos, ocorrem frequentemente durante as etapas de operação. A geração de energia inconsistente de cada módulo pode facilmente levar a uma diferença de tensão na string, o que pode acarretar no surgimento de corrente reversa. 

Se essa corrente reversa não puder ser protegida com eficácia, haverá um aumento significativo nos riscos à segurança do sistema.

Para verificar qual seria o comportamento da chave CC quando conectada a um MPPT com maior número de strings na entrada, em relação à corrente reversa por distintas tensões no arranjo, uma das strings em teste foi submetida a uma menor tensão em relação às outras 4 strings conectadas ao MPPT.  

Isso ocasionou uma corrente reversa que chega a atingir 40 A.  Dentro dessas circunstâncias, foram conduzidas 3 rodadas de testes.

Figura 3 – Fluxo de corrente do MPPT /entradas sob teste e detalhe da diferença de tensão na string sob teste

Após os 2 primeiros testes, a chave CC operou sua proteção, porém, novamente, o disparo foi realizado após 250 ms, contra os 15 ms apontados pelo fabricante.

E no caso do 3º teste, a chave CC falhou, não cumprindo seu papel de proteção. A temperatura dos componentes correspondentes e do circuito aumentaram acentuadamente, tendo a temperatura dos painéis fotovoltaicos do circuito de menor tensão atingido 76,8 °C em um minuto. 

Em um cenário onde a desconexão não ocorre em tempo adequado, a temperatura continuará a subir, criando um potencial foco de incêndio na instalação, além dos outros efeitos indesejados, como a perda de geração e a diminuição da vida útil dos componentes.

Figura 4 – Imagem térmica das placas fotovoltaicas e componentes da string submetida a corrente reversa

Os testes realizados e os resultados descritos anteriormente indicam que quando 1 canal de MPPT é conectado a mais de 2 entradas de strings, as chaves CC hoje utilizadas podem não cumprir sua função de proteção efetivamente, facilitando a ocorrência de danos ou focos de incêndio e acidentes.  

E mesmo que a chave CC suporte as condições e cumpra seu papel, o restante do sistema CC pode ficar exposto a condições anômalas das previstas em projeto, impactando, no mínimo, na vida útil dos componentes que compõem o sistema.

Conclusões

  1. Em um sistema que utiliza inversores string onde o número de strings de entrada por MPPT é elevado, se faz necessário considerar a aplicação de dispositivos de proteção contra sobrecorrente, como fusíveis ou disjuntores, para garantir a segurança da instalação e de seus operadores, necessidade esta normalmente não prevista em projeto e no LCOE calculado para definição da solução;
  2.  Temos disponíveis no mercado, hoje em dia, inversores até 250 kW que disponibilizam até 9 MPPTs de 40 A cada, possibilitando a conexão direta de duas strings para cada MPPT, evitando assim os problemas apresentados nesse estudo para conexões quando da utilização de placas de alta potência com correntes MPPT entre 15 A e 20A;
  3. Para placas com corrente MPPT maiores que 20 A, temos disponíveis no mercado inversores de 12 a 14 MPPTs de 30 A, permitindo assim a conexão de uma string por MPPT com fator de sobrecarregamento adequado à maior das aplicações;
  4. Utilizando soluções de inversores com maior número de MPPTs teremos uma maior produção de energia, tendo em vista a redução de efeito do mismatch devido a sombreamentos ou elevada sujeira em parte das placas fotovoltaicas da planta.utilizar no máximo 2 strings por MPPT em inversores string é a melhor solução técnica.
TBEA

TBEA

Fabricante chinesa de transformadores de potência e outros equipamentos elétricos e desenvolvedora de projetos de transmissão.

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