configurações e modos de operação dos inversores híbridos e...

Configurações e modos de operação dos inversores

híbridos e seus requisitos técnicos para

operação on-grid e off-grid

Prof. Me. Lucas Vizzotto Bellinaso – [email protected]

Prof. Dr. Leandro Michels – [email protected]

19 de novembro de 2015

Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia

1/5

11

Sistema PV conectado à rede

Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)

1/5

12

Sistema PV conectado à rede

FALTA

Anti-ilhamento


1/5

13

Sistema PV híbrido

Workshop Inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)

1/5

14

Sistema PV híbrido


FALTA

Anti-ilhamento

1/5

15

O que são sistemas PV híbridos?


Grid-tie Off-grid UPS

Injeta energia na rede

Obtém energia da rede

Armazenamento de energia

Frequência de operação Da rede Fixa Fixa*

Grandeza controlada Corrente Tensão Tensão

Reconexão com a rede

Desconexão da rede

Anti-ilhamento

Comutação entre rede e outra fonte

1/5

16

O que são sistemas PV híbridos?


PV Grid-tie

UPS

Operação on-grid

Controle corrente

Operação off-grid

Controle tensão

Desconexão

Reconexão

Carga baterias

1/5

17

Conversor fotovoltaico multifuncional

Inversor híbrido: nomeclatura modesta


P

Q

InversorRetificador

Grid-tieOff-grid

Carga de baterias pela rede

1/5

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• Classes de UPS da IEC 62040

1. Espera passiva (off-line)

2. Dupla conversão (on-line)

3. Linha interativa

Classificação de inversores híbridos

Cargas

prioritárias

S1Rede

elétrica

Inversor híbrido

G L

S2

GFV

+

-

CCCC

CCCC

CCCA

CCCA

Cargas

prioritáriasS1

Rede

elétrica

Inversor híbrido

G L

S2

GFV

+

-

CCCC

CCCC

CCCA

CCCA

GFV

+

-

Cargas

prioritárias

S1 S2Rede elétrica

Inversor híbrido

G L

CCCC

CCCC

CCCA

R

1/5

19

• Classe: Espera passiva



Cargas

prioritárias

S1Rede

elétrica

Inversor híbrido

G L

S2

GFV

+

-

CCCC

CCCC

CCCA

CCCARetificador

carga baterias

Inversor grid-tie + off-grid

1/5

20

• Classe: Dupla conversão



Cargas

prioritáriasS1

Rede

elétrica

Inversor híbrido

G L

S2

GFV

+

-

CCCC

CCCC

CCCA

CCCAInversor grid-tie

+ carga baterias

Inversor off-grid

V,f independentes da rede

1/5

21

• Classe: Linha interativa

– Tipo 1: chave interna de desconexão da rede



GFV

+

-

Cargas

prioritárias

S1 S2Rede

elétrica

Inversor híbrido

G L

CCCC

CCCC

CCCA

R

Inversor grid-tie

+ off-grid

+ carga de baterias

1/5

22


• Tipo 1: chave interna de desconexão da rede

– Intertravamento mecânico → redundância para inversores com saída de corrente separada da de tensão



GFV

+

-

Cargasprioritárias

S1 S2Rede elétrica

Inversor híbrido

G L

CCCC

CCCC

CCCA

R

Intertravamento

mecânico

Controle

1/5

23


– Tipo 2: chave externa de desconexão da rede



GFV

+

-

Cargas

prioritárias

S1Rede elétrica

Inversorhíbrido

CCCC

CCCC

CCCA

R

S2

Chave externa

Inversor grid-tie

+ off-grid

+ carga de baterias

1/5

24

• Modos de operação em relação à conexão com a rede de

inversores híbridos

1. Inversor grid-tie

2. Carga de baterias pela rede

3. Autônomo → off-grid UPS

Modos de operação e seus requisitos

1/5

25

Modo 1: Grid-tie


Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

prioritárias

S1

Rede

elétrica

• Princípio de operação

Baterias sendo

carregadas

1/5

26

Modo 1: Grid-tie



Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

prioritárias

S1

Rede

elétrica

Baterias sendo

descarregadas

1/5

27

• Requisitos

Qualidade de energia

– THD

– Harmônicos

– ...

Proteções

– Desconexão

– Reconexão

– Anti-ilhamento

– ...

Modo 1: Grid-tie


Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

prioritárias

S1

Rede

elétrica

Contemplados na NBR 16149

1/5

28


Modo 2: Carga de baterias on-grid


Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

prioritárias

S1

Rede

elétrica

1/5

29

• Requisitos de desempenho

Qualidade de energia ?

– THD da corrente

– Nível CC da corrente

– Harmônicas de corrente

– Fator de potência mínimo

Suporte para a rede de distribuição ?

– Curva FP x Tensão para P > 3 KW

– Controle externo



Requisitos podem ser adaptados da NBR 16149

Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

prioritárias

S1

Rede elétrica

OPCIONAL

1/5

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• Requisitos

Desconexão da rede

– Testes não necessáriosem modo carga

Reconexão na rede

– Tempo mínimo não necessário em modo carga

OBS: NBR16149 → tempo mínimo de

20s a 300s para fornecer energia após

retorno da rede



Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

prioritárias

S1

Rede elétrica

1/5

31

Modo 3: Off-grid UPS


Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

Rede elétrica aberta S1

UPS com energia

PV abundante


1/5

32




Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas


UPS com energia

PV escassa

1/5

33

• Requisitos

Qualidade de energia

– THD, harmônicos, etc...

– Nível CC máximo da tensão

Alimentação de cargas prioritárias

– Linear

– Não linear

– Indutiva e capacitiva

Proteções

– sobre corrente no modo tensão

– curto-circuito no modo tensão



Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas


Contemplados na IEC 62040

1/5

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• Requisitos

Desempenho transitório

– Degrau de cargas lineares e não lineares



Contemplado na IEC 62040

Inversor

híbrido

Medição de tensão

20%

80%

1/5

35

• Requisitos


– Degrau de cargas lineares e não lineares




200

150

100

50

-50

-100

-150

-200

0

0

Tempo (ms)

16,66 5033,33 66,66

Inversor

híbrido

Medição de tensão

20%

80%

1/5

36



• Requisitos


– Requisito para degrau de cargas → classe 3 (IEC 62040)


Classe 3

1/5

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• Transições on grid ↔ off-grid

– Limites classe 3 (IEC 62040)

– Tempo máximo para falta de tensão → 10 ms

Requisitos adicionais



Classe 3

Tempo limite para falta de tensão

1/5

38

...

...0

0

30 st1 t2 Operação on-gridOperação off-grid

Carga não linear

Retificador não controlado

Inversor híbrido

conectado à rede

Rede

elétricaR

irede

iinv

icarga

Mo

ni to

ramen

to

da ten

são d

a re de

t2t1 Vrede VinvS1

Vinv Vrede

iinv irede

• Reconexão → necessita de sincronismo



Retorno da rede Reconexão

1/5

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• Normas de referência

– NBR 16149

– IEC 62109

– IEC 62040

• Principais requisitos de segurança e proteção

– Proteção contra curto-circuito

– Desconexão em caso de falha simples

– Segurança contra choques elétricos

– ...



1/5

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• 10 ensaios sugeridos além dos utilizados para inversores

PV grid-tie, baseados nas normas existentes

1. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão operando on-grid

2. Ensaio de qualidade de energia em modo off-grid

3. Ensaio de sobrecarga em modo off-grid

4. Ensaio de curto-circuito em modo off-grid

5. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão com a rede em modo

off-grid

6. Ensaio de comutação de cargas em modo off-grid

7. Ensaio de comutação on-grid → off-grid

8. Ensaio de comutação off-grid → on-grid

9. Ensaio de qualidade de energia em modo de carga pela rede

10. Ensaio do tempo de reconexão para fornecer energia à rede

Procedimentos de avaliação


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41

1. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão operando on-grid

Objetivo: Garantir que inversor e

chaves não se danifiquem

até proteção atuar

Sugestão: realizar 2 curto-circuitos

separados por 1 minuto de tempo

na saída de tensão durante

alimentação pela rede e

verificar, após rearmada as proteções,

se o inversor opera normalmente.



LPE N L N

Gerador

fotovoltaico

Banco de

baterias

Outras

fontes

Saída de corrente

NBR 16149 Saída de tensão

Módulo de

Eletrônica de Potência

C1

C2

C3

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42

2. Ensaio de qualidade de energia em modo off-grid

Objetivo: garantir qualidade da tensão gerada

Sugestão: considerar limites do PRODIST

– Sem carga

– Carga resistiva linear

– Carga indutiva linear

– Carga não-linear



Variável Frequência Tensão CC Tensão p.u. THD Harmônicas

Limites

PRODIST

59,9 Hz a

60,1 Hz

0,1% máx

(10 s)

0,93 a 1,05 10% máx Tabeladas

Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

S1

IEC 62040

1/5

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3. Ensaio de sobrecarga em modo off-grid

Objetivo: garantir não danificação por sobrecarga breve

Sugestão: 120% de carga por no mínimo 10 s



Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

S1

Sobrecarga

IEC 62040

1/5

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4. Ensaio de curto-circuito em modo off-grid

Objetivo: garantir não danificação com curto-circuitos

Sugestão: realizar 2 curto-circuitos separados por 1 minuto de tempo

e verificar se inversor opera normalmente



Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargas

S1

IEC 62040

1/5

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Inversor híbrido

CargasRede elétricaem contra-fase

S1

5. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão com a rede

em modo off-grid

Objetivo: garantir não danificação com curto-circuitos ou falhas

Sugestão: realizar 2 curto-circuitos separados por 1 minuto de tempo

– Defasagem inversor/rede: 180° (monofásico) ou 120° (trifásico)



IEC 62109

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6. Ensaio de comutação de cargas em modo off-grid

Objetivo: garantir suprimento da carga durante transitórios

Sugestão: considerar limites da classe 3 da IEC 62040

– Linear resisTva: 33% → 100% e 100% → 33%

– Não linear: 33% → 100% e 100% → 33%



Inversor

híbrido

V medida

Classe 3 (IEC 62040)

IEC 62040

1/5

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7. Ensaio de comutação on-grid → off-grid





10 ms

IEC 62040

1/5

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8. Ensaio de comutação off-grid → on-grid





10 ms

IEC 62040

1/5

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9. Ensaio de qualidade de energia em modo de carga pela rede

Objetivo: garantir qualidade da corrente absorvida da rede para evitar

distúrbios de tensão causados por harmônicos

Sugestão: considerar limites da NBR 16149 para inversores fotovoltaicos



Inversor híbrido

GFV

+

-

Cargasprioritárias

S1

Rede

elétrica

NBR16149

OPCIONAL

1/5

50

10. Ensaio do tempo de reconexão para fornecer energia à rede

Objetivo: garantir que inversor não forneça energia à rede antes do

tempo mínimo de 20 s a 300 s.

– NOTA 1: Ensaio já contemplado para inversores grid-tie

– NOTA 2: Inversor pode funcionar como carga antes do tempo mínimo



...

...0

0

30 st1 t2 Operação on-gridOperação off-grid

Vinv Vrede

iinv irede

Retorno da rede Reconexão

NBR16149

1/5

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• Inversores híbridos = Inversor Grid-tie + UPS

• Chaves internas e externas devem suportar curto-circuitos

• Ensaios podem ser baseados em normas estabelecidas

– NBR 16149

– IEC 62109

– PRODIST

– IEC 62040

• Inversores híbridos → podem contribuir para o sistema

elétrico através do armazenamento de energia

dependendo da normatização definida

Conclusões


configurações e modos de operação dos inversores híbridos e...

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