operação de conversores back-to-back

181
OPERAÇÃO DE CONVERSORES BACK-TO-BACK PARA APROVEITAMENTO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA Mamour Sop Ndiaye Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica. Orientadores: Maurício Aredes Luís Guilherme Barbosa Rolim Rio de Janeiro Março de 2013

Upload: mr425

Post on 30-Sep-2015

12 views

Category:

Documents


4 download

DESCRIPTION

Operação de conversores back-to-back para aproveitamento de energia fotovoltaica

TRANSCRIPT

  • OPERAO DE CONVERSORES BACK-TO-BACK PARA APROVEITAMENTO

    DE ENERGIA FOTOVOLTAICA

    Mamour Sop Ndiaye

    Tese de Doutorado apresentada ao Programa de

    Ps-graduao em Engenharia Eltrica, COPPE,

    da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

    parte dos requisitos necessrios obteno do

    ttulo de Doutor em Engenharia Eltrica.

    Orientadores: Maurcio Aredes

    Lus Guilherme Barbosa Rolim

    Rio de Janeiro

    Maro de 2013

  • OPERAO DE CONVERSORES BACK-TO-BACK PARA APROVEITAMENTO

    DE ENERGIA FOTOVOLTAICA

    Mamour Sop Ndiaye

    TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ

    COIMBRA DE PS-GRADUAO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA

    UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

    REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE DOUTOR EM

    CINCIAS EM ENGENHARIA ELTRICA.

    Examinada por:

    _______________________________________________

    Prof. Maurcio Aredes, Dr.-Ing.

    _______________________________________________ Prof. Lus Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.

    _______________________________________________ Prof. Walter lssamu Suemitsu, Dr. Ing.

    _______________________________________________ Prof. Pedro Gomes Barbosa, D.Sc.

    _______________________________________________ Prof. Samir Ahmad Mussa, Dr. Eng.

    RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

    MARO DE 2013

  • iii

    Ndiaye, Mamour Sop

    Operao de Conversores back-to-back para

    Aproveitamento de Energia Fotovoltaica / Mamour Sop

    Ndiaye. Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2013.

    XVII, 164 p.: il.; 29,7 cm.

    Orientadores: Maurcio Aredes Lus Guilherme Barbosa

    Rolim.

    Tese (doutorado) UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia

    Eltrica, 2013.

    Referncias Bibliogrficas: p. 146-158.

    1. Sistemas Conectados. 2. Frequncia varivel. 3. Sistemas

    autnomos. 3. Conversor back-to-back. 5. Ilhamento. 6. MPPT. I

    Aredes, M. et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

    COPPE, Programa de Engenharia Eltrica, III. Ttulo

  • iv

    Ao Meu Pai Elhadji Matar

    Para minha Mae Fatou

    Que vivem adormecidos

    Al Ikhlass

    Para meus irmos, meu sangue

    Ndeye Fatou, Marieme e Sokhna

    Todos que lutam contra a opresso, a injustia e a pobreza

  • v

    Um homem cuja a ambio a reflorestao da Savana no pode desistir!

  • vi

    AGRADECIMENTOS

    Eu agradeo a Deus em primeiro lugar: o Comeo, meio e fim de Tudo.

    Eu exprimo minha gratido a todas as pessoas que contriburam cada uma da sua

    maneira, para a realizao desta tese.

    Eu gostaria de exprimir todo meu reconhecimento ao Professor Maurcio Aredes por ter

    me acolhido no Laboratrio de Eletrnica de Potncia, e, sobretudo pela sua orientao

    e amizade.

    Meu reconhecimento e gratido aos professores Lus Guilherme Barbosa Rolim e Edson

    Hirokazu Watanabe que sempre foram disponveis para discutir o trabalho e propor

    novas estratgias.

    Agradeo meus amigos Prof. Joo Moor, Mauro Sandro e Marcos Paulo pela ajuda e

    contribuies em diversas etapas do trabalho.

    Ao meu irmo Prof. Papa Matar pela proteo que ele sempre nos deu, longe de tudo e

    de todos.

    amiga Rita Cavaliere pela reviso do texto e pelo companheirismo em todos os

    momentos.

    Ao Amigo o Prof. Oumar Diene pelas contribuies no projeto e ajustes do sistema de

    controle tambm pela sua disposio

    Aos colegas do laboratrio de Eletrnica de Potncia e Mdia Tenso principalmente ao

    Rogrio, Diego pelo suporte na bancada.

    Aos meus irmos no Senegal que, apesar da distncia, esto sempre presentes.

    s minhas filhas Fatou, Marieme e minha esposa Sokhna por me proporcionarem

    equilbrio emocional nos momentos mais incertos.

    s secretrias do Laboratrio de Eletrnica de Potncia e do Programa de Engenharia

    Eltrica da COPPE.

    Agradeo ao CNPQ pelo apoio financeiro concedido ao trabalho.

  • vii

    Resumo da Tese apresentada COPPE/UFRJ como parte dos Requisitos necessrios

    para a obteno do grau de Doutor em Cincias (D.Sc.)

    OPERAO DE CONVERSORES BACK-TO-BACK PARA APROVEITAMENTO

    DE ENERGIA FOTOVOLTAICA

    Mamour Sop Ndiaye

    Maro/2013

    Orientadores: Maurcio Aredes

    Lus Guilherme Barbosa Rolim

    Programa: Engenharia Eltrica

    Os sistemas fotovoltaicos, apesar de crescerem em mdia 40% nos ltimos 10

    anos, ainda primam pelos altos custos. Existem problemas de sobredimensionamento e

    dificuldades de armazenamentos inerentes dos sistemas isolados. J nos sistemas

    interconectados, o ilhamento ainda o principal desafio.

    Neste contexto, este trabalho prope a utilizao de um conversor back-to-

    back que permite um melhor aproveitamento da energia do sol, principalmente nas

    regies onde a rede de distribuio intermitente. A configurao proposta possibilita o

    funcionamento dos sistemas fotovoltaicos em trs modos de operao distintos no ponto

    de potncia mxima e uma transio suave entre os modos sem a necessidade de

    utilizao de baterias para armazenamento.

    O sistema desenvolvido foi validado experimentalmente por meio de um

    prottipo de 1,1 kW considerando um conjunto de cargas (cargas locais) situadas no

    lado do conversor interconectado rede. O segundo conversor alimenta um motor de

    induo trifsico aplicado para bombeamento de gua considerado como sendo a carga

    isolada (carga prioritria).

  • viii

    Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

    requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)

    OPERATION OF BACK-TO-BACK CONVERTERS FOR PHOTOVOLTAIC

    ENERGY IMPROVEMENT

    Mamour Sop Ndiaye

    March/2013

    Advisors: Mauricio Aredes

    Lus Guilherme Barbosa Rolim

    Department: Electrical Engineering

    Photovoltaic systems, despite their 40 % annual growing over the 10 last years,

    have yet high initial installations costs. There are oversizing problems and storage

    difficulties inherent of isolated systems. For interconnected systems, the islanding is

    still the main challenge.

    In this context, this work proposes the use of a "back-to-back" converter that

    allows the improvement of the sun's energy, especially in localities where the

    distribution network is intermittent. The proposed configuration enables the operation of

    photovoltaic systems in three different operation modes at the point of maximum power

    and a smooth transition between modes without the need of batteries for storage.

    The system was validated experimentally on a1.1 kW prototype considering a

    set of loads (local loads) situated on the side of the converter interconnected to the

    network. The second converter supply a three-phase induction motor used for water

    pumping as the isolated load (load priority).

    .

  • ix

    SUMRIO

    CAPTULO1:.......................................................................................................................................1

    INTRODUO.....................................................................................................................................1

    1.1. CONTEXTO.................................................................................................................................2

    1.1.1. ContextoAmbiental....................................................................................................2

    1.1.2. Contextoeconmico...................................................................................................4

    1.2. REQUISITOSDEINTERCONEXO......................................................................................................7

    1.2.1. NormasRegulatrias..................................................................................................7a) IEEE1547[13]........................................................................................................................7b) IEC61727[14]........................................................................................................................8c) DINVDE0126[15].................................................................................................................8

    1.2.2. Ilhamentos,Antiilhamentoseoperaoilhada.........................................................9a) Ilhamento..............................................................................................................................9b) AntiIlhamento.....................................................................................................................11c) Operaoilhada...................................................................................................................13

    1.2.3. Qualidadedeenergia................................................................................................13a) CorrenteCC.........................................................................................................................14b) Harmnicosdecorrentes....................................................................................................14c) Fatordepotncia................................................................................................................15

    1.3. MOTIVAESDOTRABALHO.......................................................................................................15

    1.4. OBJETIVOSDOTRABALHO...........................................................................................................17

    1.5. SUMRIO................................................................................................................................19

    CAPTULO2.......................................................................................................................................21

    MODOSDEOPERAODESISTEMASFOTOVOLTAICOSDISTRIBUDOS...............................................21

    2.1. SISTEMASFOTOVOLTAICOSDEUMNICOCONVERSOR.....................................................................23

    2.1.1. Sistemasfotovoltaicosisolados................................................................................23

    2.1.2. SistemasFotovoltaicosInterconectados...................................................................24

    2.1.3. SistemasdeArmazenamentoPV..............................................................................27

    2.2. CONFIGURAOPROPOSTA.........................................................................................................29

    2.3. NATUREZADASCARGAS.............................................................................................................32

    2.4. MODOSDEOPERAO...............................................................................................................33

    2.5. CONCLUSESPARCIAIS...............................................................................................................37

    CAPTULO3.......................................................................................................................................39

    ASPETOSTECNOLGICOSEMODELAGEMMATEMTICADASCLULASPV.........................................39

    3.1. TECNOLOGIADASCLULASFOTOVOLTAICAS....................................................................................40

  • x

    3.1.1 Tecnologiadasclulascristalinas.............................................................................40

    3.1.2 Tecnologiadasclulasdepelculafina(ThinFilm)...................................................41a) Tecnologiadosilcioamorfo(aSi).......................................................................................41b) TecnologiadasclulasCIGS.................................................................................................43

    3.1.3 Asclulasmultijunes.............................................................................................44

    3.1.4 ClulasSolaresdeTerceiraGerao.........................................................................47

    3.2. MODELAGEMDASCLULASPVNOPSCAD/EMTDC......................................................................49

    3.2.1. Caractersticaeltricadasclulasfotovoltaicas.......................................................49

    3.2.2. IdentificaodosParmetrosdospainisKc130daKyocera..................................52

    3.2.3. Influnciadofluxoluminoso.....................................................................................55

    3.2.4. Influnciadatemperatura........................................................................................56

    3.3. CARACTERSTICASDOGERADORFOTOVOLTAICOUTILIZADO...............................................................58

    3.4. CONCLUSESPARCIAIS...............................................................................................................60

    CAPTULO4.......................................................................................................................................61

    SISTEMASFOTOVOLTAICOSDEUMESTGIODECONVERSO:CONFIGURAO,CONTROLEE

    DETECODEILHAMENTOS..............................................................................................................61

    4.1. CONFIGURAESDOSSISTEMASFOTOVOLTAICOS............................................................................62

    4.2. TCNICASDECONTROLEPARAOSSISTEMASFOTOVOLTAICOS.............................................................64

    4.3.1. ControleCCCC.......................................................................................................64

    4.3.2. ControleCCCA.......................................................................................................64a) ControlePWMdetenso....................................................................................................65b) ControlePWMdecorrente.................................................................................................67

    4.3. OALGORITMOMPPT...............................................................................................................68

    4.4. SISTEMASDEANTIILHAMENTOS..................................................................................................75

    4.5. CONCLUSESPARCIAIS...............................................................................................................81

    CAPTULO5.......................................................................................................................................82

    ESTRATGIASDECONTROLEDACONFIGURAOFOTOVOLTAICAPROPOSTA....................................82

    5.1. ANLISEDOCONVERSORBACKTOBACKAPLICADOEMSISTEMASFOTOVOLTAICOS.............................83

    5.2. SISTEMADECONTROLE..............................................................................................................86

    5.2.1. SistemadecontrolePrincipal....................................................................................88a) Controledascorrentesinjetadas.........................................................................................89b) AjustedoControladorPIdacorrente..................................................................................91c) Controladordetenso.........................................................................................................92d) AjustedoControladorPIdatenso.....................................................................................94

    5.2.2. Sistemadecontroleauxiliar....................................................................................100

    5.3. RESULTADODASSIMULAES....................................................................................................102

  • xi

    5.3.1. Parmetrosdosistema...........................................................................................103

    5.3.2. Tenses,CorrentesePotnciasCC.........................................................................104

    5.3.3. Operaointerconectada(desativaodoconversor#2)......................................107

    5.3.4. Operaopadro....................................................................................................110

    5.3.5. Operaoemmodoilhado.....................................................................................116a. DetecodeIlhamento.....................................................................................................116b. OperaoIlhada................................................................................................................118c. Gerenciamentodecarga...................................................................................................120

    5.4.1. Conclusesparciais.................................................................................................124

    CAPTULO6.....................................................................................................................................126

    VALIDAOEXPERIMENTALDOSISTEMAPROPOSTO......................................................................126

    6.1. DESCRIODOPROJETO...........................................................................................................127

    6.2. IMPLEMENTAODOPROJETO..................................................................................................127

    6.1.1. CircuitosdeinstrumentaoeControle..................................................................127

    6.1.2. IntegraodoProttipo..........................................................................................131

    6.3. RESULTADOSEXPERIMENTAIS....................................................................................................131

    6.3.1. ControleMPPT........................................................................................................132

    6.3.2. Modosdeoperaopadroeconectada...............................................................132

    6.3.3. Operaoilhada.....................................................................................................134

    6.3.4. Gerenciamentodecarga........................................................................................136

    6.3.5. Partidaisoladadomotor........................................................................................136

    6.4. CONCLUSESPARCIAIS.............................................................................................................137

    CAPTULO7.....................................................................................................................................139

    CONCLUSESECONSIDERAESFINAIS..........................................................................................139

    7.1. CONCLUSES.........................................................................................................................139

    7.2. CONTRIBUIES......................................................................................................................143

    7.3. TRABALHOSFUTUROSEPERSPECTIVAS........................................................................................144

    7.3.1. TrabalhosFuturos...................................................................................................144

    7.3.2. Perspectivas............................................................................................................144

    REFERNCIASBIBLIOGRFICAS........................................................................................................146

    APNDICEA....................................................................................................................................159

    A1. PROJETODOCONTROLADORDECORRENTE...................................................................................159

    A2. PROJETODECONTROLADORDETENSO.......................................................................................160

    A3. SINAISDECONTROLE...............................................................................................................163

  • xii

    LISTADASFIGURASFigura1.1:Intensidadedeirradiaosolarentre2007e2008[5]_______________________________4

    Figura1.2:Potnciasolaracumulaporpasem2011. ________________________________________5

    Figura1.3:Ocorrnciadeilhamentodossistemasfotovoltaicosinterconectadosrede ____________10

    Figura1.4:EfeitodosdispositivosdeantiilhamentosnossistemasPVinterconectados_____________11

    Figura1.5:Operaoilhadadossistemasfotovoltaicosinterconectadoscomdispositivosde

    gerenciamentodecarga_______________________________________________________________13

    Figura2.1:Estruturadeumsistemafotovoltaicoisolado_____________________________________23

    Figura2.2:Configuraocompletadeumsistemafotovoltaicointerconectado___________________25

    Figura2.3:Sistemadegerenciamentodecargasduranteaoperaoilhada _____________________26

    Figura2.4:Composiodoscustosdeumainstalaofotovoltaica[34]._________________________28

    Figura2.5:ConfiguraoProposta_______________________________________________________31

    Figura2.6:Grficodosnveisdepotnciadasdiferentescargas._______________________________34

    Figura2.7:EsquemadeOperaopadro:(a)PPV>Pmotor+Pcarga;(b)PPVPcarga;(b)PPV

  • xiii

    Figura4.7:SistemaFotovoltaicointerconectadocomumnicoestgiodeconverso______________70

    Figura4.8:TcnicadedetecodoPPMatravsdacondutnciaexperimental ___________________72

    Figura4.9:Diagramadeblocodoalgoritmodacondutnciaincremental[85]____________________74

    Figura4.10:ConceitodeZonadenodeteco ____________________________________________76

    Figura4.11:Testedeilhamento_________________________________________________________77

    Figura4.12:VariaodatensodeilhamentoemfunodeP_______________________________79

    Figura4.13:VariaodafrequnciaemfunodeQ(P=0)_________________________________79

    Figura5.1:EstruturadoConversorbacktoback2nveis ___________________________________83

    Figura5.2:Chaveamentobipolar________________________________________________________84

    Figura5.3:Estruturadogeraldosistemafotovoltaicoestudado(a)sistemaglobal;(b)circuito

    equivalente_________________________________________________________________________87

    Figura5.4:Transformaodecoordenadasabcdq_____________________________________88

    Figura5.5:Malhadecontroledecorrente________________________________________________89

    Figura5.6:diagramadocontroledesacopladodascorrentesideiq_____________________________91

    Figura5.7:DiagramadeblocosdocontroledetensodoeloCC_______________________________93

    Figura5.8:ControledetensodetalhadodoeloCC_________________________________________94

    Figura5.9:Controleescalaremmalhafechada.____________________________________________97

    Figura5.10:CorrentesdeReferncia_____________________________________________________98

    Figura5.11:Estratgiadecontroleprincipaldosistemapropostointerconectado_________________99

    Figura5.12:Sistemadecontroleauxiliarduranteaoperaoilhada___________________________101

    Figura5.13:Obtenesdastensesderefernciadocontroledoconversor#1duranteoilhamento _102

    Figura5.14:TensesecorrentesdoGPVedoeloCC(G=1000W/m2eT=25C) _________________105

    Figura5.15:PotnciasdoGPVedoeloCC(G=1000W/m2eT=25C)__________________________106

    Figura5.16:Efeitosdasvariaesdatemperaturaeirradiaosolarnatenso,correnteepotnciaCC

    _________________________________________________________________________________107

    Figura5.17:CorrentesinjetadasnaredeeCorrenteetensonafaseA_________________________108

    Figura5.18:PotnciadoeloCCepotnciadoGPVpeloladoCAdoconversor#1_________________109

    Figura5.19:Balanodaspotnciasativasereativasdascargasedarede______________________109

    Figura5.20:Compensaodapotnciareativaatravsconversor#1__________________________110

    Figura5.21:Toques,VelocidadeePotnciaeletromagnticadomotor_________________________111

    Figura5.22:CorrentesinjetadasnaredeapsaentradadomotorecorrenteetensonafaseA____112

    Figura5.23:CorrentesnomotorecorrenteetensonafaseA _______________________________112

    Figura5.24:TensoeCorrentedoeloCCePotnciasCC,doConversor#1eaparentedoMotor ____113

    Figura5.25:PotnciasativasereativanoPCCduranteaoperaopadro______________________114

    Figura5.26:CorrentesinjetadasnoPCC(a)etensoecorrentedafaseA(b)comquedade66%da

    potnciadoGPV____________________________________________________________________115

  • xiv

    Figura5.27:TensoecorrentedoeloCCePotnciaativaCC,doconversor#1epotnciaaparentedo

    motorconsiderandoquedade50%napotnciadoGPV_____________________________________115

    Figura5.28:OcorrnciaeDetecodoilhamentopelodesviodefrequncia_____________________117

    Figura5.29:Potnciadoelo,doconversor#1,dacargaedaRededuranteoilhamento___________118

    Figura5.30:TensoecorrentedoeloCCePotnciaativaCC,doconversor#1,daredeepotncia

    aparentedomotorconsiderandoduranteasoperaesinterligadaeilhada ____________________119

    Figura5.31:PotnciadoConversor#1edaredenaocorrnciadoilhamento____________________119

    Figura5.32:Velocidade,Potnciaseltricasemecnicasdomotorduranteasoperaesinterligadae

    ilhada ____________________________________________________________________________120

    Figura5.33:Corrente(injetadanarede(a))etensoecorrentedafaseA(b)noPCCaolongodosmodos

    deoperao _______________________________________________________________________121

    Figura5.34:CorrentesdoMotor(a)ecorrenteetensodafaseA(b)aolongodosmodosdeoperao

    _________________________________________________________________________________122

    Figura5.35:TensoecorrentedoeloCC(a)ePotnciaativaCC,doconversor#1,daredeepotnciado

    motor(b)considerandoosdiferentesmodosdeoperao___________________________________123

    Figura5.36:Velocidade(a)ePotnciasdomotor(b)duranteosmodosdeoperao______________124

    Figura6.1:Digramaunifilardosistemapropostocomossinaisdemedies____________________128

    Figura6.2:Esquemadosistemadeinstrumentao________________________________________128

    Figura6.3:CircuitodesuporteecondicionamentodosDSPs _________________________________129

    Figura6.4:CircuitosdesensoriamentoemediodetensoeCorrente________________________130

    Figura6.5:CircuitodeE/O____________________________________________________________130

    Figura6.6:ProttipoExperimental _____________________________________________________131

    Figura6.7:Medidadairradiaosolar(a),Tenso,correnteepotnciadoeloCC(b) _____________132

    Figura6.8:Modosdeoperaoconectadaredeepadro__________________________________133

    Figura6.9:Mododeoperaopadrodetalhado(a)Tensesdecorrentedarede(b)Tensesecorrente

    domotor__________________________________________________________________________134

    Figura6.10:Tenso,correnteepotnciadoGPVduranteoilhamento(a),correntesdascargas(b)__135

    Figura6.11:Tensesecorrentedosistemaduranteaoperaoilhada ________________________135

    Figura6.12:Operaoilhadacomgerenciamentodecarga__________________________________136

    Figura6.13:Partidadomotorcomapresenadarede______________________________________137

    Figura6.14:Partidadomotorsemapresenadarede______________________________________137

    FiguraA.1:Lugardasrazesediagramadebodedamalhadecorrente ________________________159

    FiguraA.2:Respostaaodegraudamalhafechadadecorrente_______________________________160

    FiguraA.3:Lugardasrazesediagramadebodedamalhadetenso__________________________160

    FiguraA.4:Respostaaodegraudamalhafechadadetenso ________________________________162

    FiguraA.5:Sinaisdecontrolevdevq ____________________________________________________163

  • xv

    AFiguraA.6comprovaquequandoomotorentrouemoperao,apotnciainjetadanaredediminuiu.

    ObservasenaFiguraA.7quequandoacapacidadedoGPVficoureduzida,osinaldecontroledeidficou

    negativacomprovandoatransfernciadepotnciadaredeparaacargaisolada.________________163

    FiguraA.8:sinaisdecontroleideiqduranteaoperaointerconectadaepadro(G=1000W/m2)___164

    FiguraA.9:Controleideiqduranteaoperaointerconectadaepadro(G=700W/m2) ___________164

    FiguraA.10:Controleideiqduranteaoperaointerconectadaepadrocomcompensaodepotncia

    reativa.___________________________________________________________________________164

  • xvi

    Listadasabreviaes

    OPEP Organizao dos Pases Exportadores de Petrleo

    PCC Point of Common Coupling

    CO2 Dixido de carbono

    PBT Pay Back Time

    EPIA European Photovoltaic Industry Association

    PCHs Pequenas Centrais Hidreltricas

    OSC Organic Solar Concentrators

    OPV Organics Photovoltaics

    TPV Thermo-photovoltaic

    OLED Organic Light-Emitting Diode

    TiO2 Dixido deTtitnio

    ENS Disconnecting Device between a Generator and the Public low voltage

    MPPT Maximum Power Point Tracking

    MPP Maximum Power Point

    PPM Ponto de Potncia Mxima

    TFSi Thin-Film Silicon

    PECVD Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition

    CdTe Telureto de cdmio

    CIGS Disseleneto de cobre, glio e ndio

    DSSC Dye-Sensitised Solar Cells -

    ANEEL Agencia Nacional de Energia Eltrica

    VSC Voltage-Source Converter

    FAE Fontes Auxiliares de Energia

    PAC Ponto de Acoplamento Comum

    MSP Mediterranean Solar Plan

    Lista dos smbolos Vconv Tenso de sada do conversor no lado CA

    Ipv Corrente do gerador fotovoltaico

    ma modulao de amplitude

    mf modulao de frequncia

    Vs Tenso da rede

  • xvii

    Is Corrente da rede

    Vcarga Tenso na Carga

    Icarga Corrente na carga

    G Intensidade de Irradiao solar

    T Temperatura do gerador fotovoltaico

    Rs Resistncia srie dos painis solares

    Rsh Resistncia Shunt dos painis solares

    Io Corrente de Saturao do Diodo

    A Coeficiente de no idealidade do diodo

    Vil Tenso de ilhamento

    Iil Corrente de ilhamento

    il frequncia de ilhamento

    Ippm Corrente no ponto de potncia mxima

    Vppm Tenso no ponto de potncia mxima

    Pppm Potncia no ponto de potncia mxima

    P Potncia ativa da rede

    Q Potncia reativa da rede

    Pm Potncia do motor

    PL Potncia da carga local

  • 1

    CAPTULO 1:

    Introduo

    A produo de energia eltrica ecologicamente correta e tecnologicamente

    vivel tornou-se um imenso desafio de todas as sociedades, modernas ou no. Os efeitos

    desse novo consenso de produo dessa energia so amplamente discutveis e so

    constantemente objetos de discusses em fruns e cpulas mundiais. Deixamos um

    ambiente gerido pelo conceito estrito de desenvolvimento econmico para iniciar a

    explorao do conceito mais amplo de desenvolvimento sustentvel. No campo

    cientfico, a discusso diz respeito ao uso de tecnologias limpas, condio sine qua non

    para tal desenvolvimento. Dominar e desenvolver essas tecnologias de baixo impacto

    ambiental e focado na incluso social tornou-se um desafio para pesquisadores do

    mundo inteiro, principalmente dos pases em desenvolvimento.

    Nesse contexto, as energias renovveis que so provenientes do sol (energia

    solar fotovoltaica ou trmica), do vento (energia elica), do calor da terra (energia

    geotrmica), das quedas de gua (energia hdrica), das ondas e mars (energia ocenica)

    e das plantas (combustveis verdes e biomassa) esto ocupando espaos cada vez mais

    amplos no cenrio energtico mundial, tanto no ponto de vista ambiental, como tambm

    no cenrio econmico.

  • 2

    1.1. Contexto

    Impulsionada por um contexto favorvel (vontade poltica e popular, interesse

    econmico e ambiental), o assunto relacionado utilizao das energias renovveis tem

    provocado interesse de todos os segmentos da sociedade. Esses tipos de energia,

    praticamente no explorados, se comparados com as fontes tradicionais (petrleo, gs,

    carvo, etc.), representam fontes inesgotveis. Parte do interesse atual pelas energias

    limpas pode ser justificada pela conscincia mundial de rever as polticas energticas

    contras as emisses excessivas de CO2 (impacto ambiental). Por outro lado, a queda

    vertiginosa dos preos e os incentivos fiscais adotados em alguns pases tm catalisado

    a competitividade das fontes renovveis de energia (impacto econmico).

    1.1.1. Contexto Ambiental

    Do ponto de vista ambiental, diante da necessidade da construo de uma nova

    estratgia energtica e climtica mundial, o desenvolvimento das energias renovveis

    apresentado como parte da soluo para um mundo sustentvel e pouco carbonoso. As

    fontes renovveis participam diretamente na luta contra o efeito estufa e as emisses de

    CO2 na atmosfera.

    Os resduos e a emisso de poluentes decorrentes da produo dos mdulos

    fotovoltaicos esto cada vez menores. Essa melhoria devida principalmente evoluo

    tanto no processo de corte e aproveitamento dos materiais utilizados como tambm na

    economia no consumo de energia durante a fabricao das clulas fotovoltaicas [1], [2].

    A ratificao do Protocolo de Quioto [3] assinado por mais de 180 naes

    (pelo qual os pases-membros - principalmente os desenvolvidos - acordaram uma

    reduo de mais de 5% na emisso de gases de efeito estufa em relao aos nveis dos

    anos 1990 no perodo entre 2008 e 2012) incentivou bastante a procura por fontes de

    energias limpas, principalmente a energia solar, apesar das metas no terem sido

    cumpridas.

    Estudos realizados pela EPIA (European Photovoltaic Industry Association)

    em colaborao com o Greenpeace [4] mostraram que se os governos adotarem maiores

    incentivos na utilizao de energia solar fotovoltaica em sua matriz energtica, a energia

  • 3

    solar pode trazer uma contribuio substancial para os compromissos internacionais de

    reduo das emisses de gases de efeito estufa e consequentemente uma contribuio

    favorvel para a mudana climtica.

    De acordo com os mesmos estudos, em 2030, o impacto da contribuio da

    energia solar na reduo anual de emisses de CO2 seria mais de 1,6 bilhes de

    toneladas. Esta reduo equivalente produo de 450 usinas eltricas movidas a

    carvo (tamanho mdio 750 MW). A reduo cumulativa de reduo de CO2

    provenientes da gerao de eletricidade solar entre 2005 e 2030 ter atingido um nvel

    de nove bilhes de toneladas.

    Alm disso, as guerras e instabilidades permanentes nos pases da OPEP

    (Organizao dos Pases Exportadores de Petrleo) principalmente do Oriente Mdio e

    os saltos recentes do preo do petrleo tm alimentado muitas discusses a respeito de

    penria energtica maior, favorecendo a busca por novas fontes de energia.

    A problemtica no uso e na segurana envolvendo a energia nuclear devida

    principalmente aos ltimos acontecimentos no Japo e o aquecimento global tm

    favorecido novos incentivos sobre a penetrao massiva das fontes de energias limpas e

    de baixa emisso de carbono na matriz energtica mundial.

    No que tange a energia solar, em primeiro lugar, vale ressaltar que todas outras

    energias renovveis so derivadas a partir da energia do sol. O vento, a radiao solar,

    as mars so produtos direta ou indiretamente da atividade solar. Apenas a energia

    geotrmica, que existiu desde a criao do universo escapa deste inventrio. O sol envia

    anualmente superfcie da terra cerca de 10.000 vezes mais energia que a vida terrestre

    necessita para seu consumo. Portanto, legtimo a tentativa de tirar proveito disso.

    Alm disso, a energia solar fotovoltaica possui um carter descentralizado, bem

    distribudo. Mais de da populao mundial fazem parte do cinturo do sol (pases

    onde a intensidade de irradiao solar supera 1000 kWh/m2 - Figura 1.1) e consumida

    em geral perto do local de produo. Pode ser aproveitada tanto nos centos urbanos

    como nos locais remotos, isolados ou afastados das redes de energia eltrica e/ou com

    baixas densidades populacionais. Os sistemas fotovoltaicos so confiveis. Os materiais

    utilizados (vidro e alumnio) so resistentes frentes as condies climticas adversas. Os

  • 4

    sistemas fotovoltaicos so modulares, facilmente expansveis com a aplicao dos

    dispositivos de eletrnica de potncia e podem ser utilizados em aplicaes variadas.

    Figura 1.1: Intensidade de irradiao solar entre 2007 e 2008 [5]

    1.1.2. Contexto econmico

    Desde o fim da dcada de 90, o mercado da energia solar fotovoltaica cresce

    mais de 20% ao ano e 60% de aumento na produo desde 2004. Naquela poca, esse

    segmento representava um volume de 200 MW de potncia instalada e um capital

    estimado de mais de dois bilhes de dlares. Somente entre 2007 e 2008, a produo de

    clulas fotovoltaicas aumentou de 4,3 para 7,9 GW [6], representando um crescimento

    de 85%, com a capacidade acumulada de 16 GW. Um ano depois, esse valor subiu para

    23 GW. J em 2010, o mercado fotovoltaico atingiu a capacidade acumulada instalada

    de cerca de 40 GW em todo o mundo, com uma capacidade anual adicional de 17 GW,

    representando uma capacidade de gerao anual de 50 TWh [7].

    O crescimento vertiginoso deste mercado devido em grande parte ao aumento

    dos investimentos dos pases da Unio Europeia, principalmente a Alemanha, a Itlia e

    a Espanha, e do interesse econmico da China em investir em novas fontes de gerao

    de energia. A Figura 1.2 mostra a potncia instalada acumulada em 2011 nos pases que

    lideram a produo mundial em energia solar fotovoltaica.

    Outro fato relevante o tempo de retorno (Payback Time - PBT) cada vez menor

    dos investimentos fotovoltaicos. Na Itlia, Giovanni Mazzani, al. desenvolveu em 2011

  • 5

    estudos que levaram em considerao vrios parmetros tais como a incidncia da

    irradiao solar, a potncia instalada em WP (Watt pico) e os mecanismos de incentivos

    financeiros aplicados. Nas regies em que a mdia de irradiao solar anual supera 1500

    kWh/m2 (caractersticas das regies que fazem parte do cinturo solar), o tempo de

    retorno estimado de uma planta fotovoltaica (incluindo todos os componentes) variou

    entre 4,4 e 7,3 anos de acordo com a existncia e o tipo de subsdio [8], [9].

    Alm disso, o aumento da eficincia dos mdulos solares com a aplicao de

    novas tecnologias na produo das clulas fotovoltaicas (nanotecnologia, clulas

    orgnicas, filmes finos, etc.), a possibilidade de aproveitar a energia solar em muitas

    aplicaes no local de produo e principalmente a possibilidade de injetar a energia

    produzida diretamente na rede de energia eltrica atravs da gerao distribuda tem

    atrado muitos investidores no ramo solar. Como a maioria das fontes renovveis, a

    energia solar tambm contribui diretamente na gesto racional dos recursos locais e

    favorece a gerao de emprego com programas de desenvolvimento muitas vezes

    apoiados por governos e organismos internacionais.

    Figura 1.2: Potncia solar acumula por pas em 2011.

    Alemanha;24.700

    Itlia;12.500

    Frana;2.500

    ReinoUnido;750

    Espanha;4.200

    Blgica;1.500

    China;2.900

    EUA;4.200

    Japo;4.700

    Austrlia;1.200 RestodoMundo;8.200

    Potnciainstaladaparadiversos PasesemMW

  • 6

    O mercado solar mundial produz atualmente energia suficiente para alimentao

    de cerca de 20 milhes de famlias. A gerao solar equivale produo total de energia

    da frica central (composta por nove pases) ou a metade da energia demandada pela

    Grcia. O mercado solar recebe investimentos anuais de mais de 80 bilhes de dlares e

    gera 500.000 empregos diretos. A previso que os investimentos subam para mais de

    340 bilhes at 2050 com mais de cinco milhes de empregados. A Tabela 1.1

    apresenta a evoluo anual da potncia instalada, da variao do custo por quilo watt,

    dos investimentos anuais e o nmero de vagas de empregos criados entre 2008 e 2010 e

    a projeo para 2050 [10].

    Tabela 1.1: Evoluo anual de investimento em energia solar no mundo [10]

    Ano 2008 2009 2010 2015 2020 2030 2040 2050

    Instalao Anual em MW 4.940 7.262 13.625 47.000 135.376 136.833 250.000 250.000

    Custo R$/kW 6,9 6,67 5,75 3,4477 2,1873 1,7112 1,4835 1,3708

    Investimento anual 34,5 48,3 78,2 161 296,7 230 370,3 342,7

    Empregos Anuais 156.965 228.149 417.010 1.372.185 3.781.553 3.546.820 5.563.681 5.346.320

    No Brasil, a busca para satisfazer a crescente demanda energtica por

    intermdio de fontes de energia renovveis est levando a matriz energtica a uma

    crescente participao das energias renovveis. As hidreltricas representam mais de

    77% da capacidade instalada. A energia elica e as pequenas centrais hidreltricas

    (PCHs) tm maiores penetraes no sistema eltrico em funo do sucesso que

    apresentaram nos ltimos leiles e dos preos bastante competitivos. O pas, apesar de

    ser membro do cinturo solar, ainda no conseguiu alavancar a participao da energia

    solar na sua matriz energtica; conta hoje com menos de 0,005% de contribuio de

    energia solar fotovoltaica na sua matriz energtica de acordo com os dados da EPE

    (Empresa de Pesquisa Energtica) [11]. Isso devido em parte pela diversidade das

    fontes de energia disponveis no Brasil. E, os custos dos sistemas fotovoltaicos ainda

    no so competitivos, comparados com as outras fontes. Alm, a ausncia das polticas

    de incentivos como o caso dos pases da unio europeia e da China dificultam uma

    maior penetrao da energia solar.

    No entanto, com a previso de leiles no mercado fotovoltaico em um futuro

    prximo (como aconteceu com o setor elico) e a entrada em vigor da instruo

    normativa da Agencia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) que trata do acesso de

  • 7

    micro e minigerao distribuda no sistema de distribuio [12], espera-se uma maior

    penetrao da energia solar no sistema eltrico brasileiro.

    1.2. Requisitos de interconexo

    Os sistemas fotovoltaicos so um dos meios mais adequados para a produo

    descentralizada de energia eltrica. Nos ltimos anos, no mundo, os sistemas

    conectados rede tm tido um crescimento considervel. Somente em 2011, 27,7 GW

    foram conectados rede (contra 16,6 GW em 2010), o que representa um aumento de

    mais de 60%. Ainda em 2011, 6 pases conseguiram injetar, cada um, mais de 1 GW de

    energia PV na sua matriz energtica: Itlia, Alemanha, China, EUA, Frana e Japo [4].

    No entanto, a interconexo de sistemas fotovoltaicos com a rede eltrica pode criar

    vrios problemas tcnicos: compatibilidade, confiabilidade, qualidade, operabilidade,

    entre outros.

    1.2.1. Normas Regulatrias

    Para estabelecer requisitos e requerimentos para interconexes, vrios cdigos

    de redes foram adotados atravs dos padres IEEE 1547 [13], e IEC 61727 [14], VDE

    DIN 126-1-1 [15] e ERDF [16]. Esta seo apresenta as principais normas para

    interconexo dos sistemas distribudos rede eltrica de baixa e mdia tenso que so:

    IEEE 1547, IEC 61727 e VDE DIN 0126-1-1.

    a) IEEE 1547 [13]

    O padro IEEE 1547 [13] criado em 2003, legisla a interconexo de sistemas

    de gerao distribudos. o resultado dos estudos do SCCC21 (Standards Coordinating

    Committee 21) para sistemas fotovoltaicos. Ele rene em um nico padro as diversas

    outras normas que existiam: IEEE 929-2000 [17] e UL 1741 [18] (que tambm

    regulamentavam os sistemas fotovoltaicos isolados).

    Atualmente essa norma regulatria o padro internacional mais influente para

    interconexo de sistemas distribudos com a rede eltrica. Alm dos sistemas

    fotovoltaicos, a norma envolve tambm as outras formas de gerao dispersas, clulas

    combustveis e armazenamento superior a 10 MWh.

  • 8

    A norma engloba tambm as especificaes tcnicas para testes. Inclui as

    recomendaes gerais, respostas para condies anormais, qualidade de energia,

    problemas de ilhamentos, comissionamento e manuteno. O requerimento aplicado

    tanto para mdia quanto baixa tenso. Em 2005, foi criada a norma IEEE 1547.1-2005

    [19] derivada do IEEE 1547 [13], que estabelece procedimentos de teste de

    conformidade para equipamentos de gerao distribuda interconectada rede eltrica.

    b) IEC 61727 [14]

    A norma IEC 61727, publicada em dezembro de 2004 decorrente do comit,

    o rgo do IEC voltado para a indstria fotovoltaica. um padro aplicado para

    interconexo de sistemas fotovoltaicos rede de distribuio utilizando conversores

    estticos e os requerimentos de interconexo, assim como o IEEE 1547 [13]. Em 2007,

    foi aprovado e publicado um aditivo: a norma IEC 62116 [20] que estabelece os

    procedimentos para testes e as medidas preventivas de ilhamentos.

    As diferenas entre as normas IEEE e IEC so mnimas, porm os

    requerimentos da IEC so mais harmonizados na medida em que aceitam limites de

    afundamentos ou elevaes de tenso e desvios de frequncia maiores principalmente

    para deteco de anti-ilhamento, o principal desafio dos sistemas fotovoltaicos

    interconectados.

    c) DIN VDE 0126 [15]

    O mercado fotovoltaico dominado pela Alemanha com uma capacidade de

    mais de 24,7 GW, o que representou 41% do potencial fotovoltaico mundial em

    2011(mais que o dobro do que o segundo colocado: a Itlia). A entrada em vigor da lei

    de promoo das energias renovveis (um modelo adotado por muitos pases) em abril

    de 2000 incentivou muito o crescimento do uso da energia solar fotovoltaica naquele

    pas. As normas alems VDE 0126 [15] voltadas para certificao, segurana e testes de

    sistemas fotovoltaicos representam uma referncia mundial no que se refere gerao

    distribuda.

    A norma VDE 0126-1999 [15] recomenda a desconexo automtica da gerao

    fotovoltaica da rede eltrica atravs de um dispositivo ENS (Disconnecting Device

    between a Generator and the Public low voltage). A desconexo ocorre quando a

  • 9

    impedncia da interconexo sofre uma variao de 0,5 , considerando sistemas

    balanceados com potncia menor do que 30 kW. Porm, com o decorrer do tempo

    observou-se vrias ocorrncias de desconexo desnecessrias. Isso afetava o

    desempenho do sistema como um todo. Por isso em 2006, foram adotadas algumas

    modificaes visando aumentar a estabilidade do sistema interconectado sem afetar a

    segurana. Assim foi criada a norma VDE 0126-1-1-2006 [15] que prev desconexo

    somente quando a variao de impedncia supera 1 . A norma tambm considera

    mtodos alternativos anti-ilhamentos baseados em RLC ressonantes, parecidos com

    IEEE 1547 [13].

    A norma inclui ainda o comportamento frente aos distrbios de tenso e

    frequncia, injeo de corrente contnua e problemas de aterramento. Para sistemas sem

    transformador, a corrente de disperso limitada a 300 mA e a isolao superior a 1

    k/V. O que resulta em dispositivos adicionais de monitoramentos, com a consequncia

    de aumento do custo e da complexidade do sistema.

    1.2.2. Ilhamentos, Anti-ilhamentos e operao ilhada

    a) Ilhamento

    Os problemas de ilhamentos representam o principal desafio dos sistemas

    fotovoltaicos (e outras formas de gerao distribuda) interconectados rede eltrica

    Ilhamentos acontecem quando os sistemas fotovoltaicos permanecem

    conectados rede de energia eltrica durante a ausncia da mesma. Essa ausncia pode

    ser intencional (desligamento da rede para operaes de manuteno, por exemplo) ou

    devida uma ocorrncia de um transitrio ou outro evento mais severo na rede de

    energia eltrica [21]. Nesse caso, a segurana das pessoas (de manuteno) e dos

    equipamentos se torna uma ameaa, pois os sistemas fotovoltaicos interconectados

    mantm sua capacidade de gerao, mas no o suficiente para suprir todas as cargas

    situadas no PCC, conforme ilustrado na Figura 1.3. Essa ocorrncia gera afundamentos

    de tenso e/ou desvio de frequncia nesse ponto.

  • 10

    Figura 1.3: Ocorrncia de ilhamento dos sistemas fotovoltaicos interconectados rede

    Recentemente, a empresa espanhola Iberdrola, [22], [23] encontrou um

    problema de ilhamento em que as protees de vrias grandes usinas fotovoltaicas

    interconectadas com a rede falharam durante uma operao de manuteno da rede. As

    sobretenses decorrentes destes ilhamentos danificaram todos os equipamentos de

    eletrnica de potncia da usina, alm de criarem um blackout da regio afetada. As

    explicaes tcnicas para esses fenmenos no tm sido satisfatrias e ainda so objeto

    de vrios estudos.

    H diferentes fatores que influenciam o funcionamento dos sistemas

    fotovoltaicos diante dos ilhamentos tais como [23]:

    O sistema de controle e sincronismo;

    Relao entre a gerao de energia e carga;

    Comportamento da carga (RLC, motor, etc.);

    As condies iniciais no instante ilhamento;

    Protees de anti-ilhamento; e,

    Tipo de rede conectada.

    De acordo com Teodorescu, Marco Liserre and Pedro Rodriguez, os sistemas

    de gerao distribuda devem ser totalmente desconectados da rede de energia principal

    durante a interrupo da mesma [24]. Esses desligamentos podem ser intencionais

    (desligamento da rede local para manobra) ou outro fenmeno relativo condio

  • 11

    anormal de operao (nveis elevados de harmnicos, afundamento ou sobretenses,

    desvio de frequncia ou defeito na rede local).

    b) Anti-Ilhamento

    Os sistemas fotovoltaicos devem ser equipados de mecanismos adicionais que

    devem atuar contra os fenmenos de ilhamentos [25]. Esses dispositivos de proteo so

    os sistemas de anti-ilhamento [24] apresentados na Figura 1.4. Eles possibilitem a

    desconexo automtica da gerao fotovoltaica na ocorrncia de ilhamentos. O tempo

    de desconexo varia de acordo com a norma utilizada, dos nveis de tenso e desvios de

    frequncia.

    Figura 1.4: Efeito dos dispositivos de anti-ilhamentos nos sistemas PV interconectados

    A Tabela 1.2 apresenta os nveis de sobretenses, subtenses e tenses

    intermedirias em pu medidas no PCC em funo do tempo de desconexo aceita para

    as trs normas citadas anteriormente. O inversor deve detectar a ocorrncia da condio

    anormal de operao e cessar a energizao no ponto de acoplamento comum. Mesmo

    assim, o inversor deve permanecer conectado rede possibilitando o sensoriamento para

    a reenergizao do sistema. A norma VDE 126-1-1[15] prev menor nvel de variao

    de tenso e menor tempo de desconexo, exigindo assim um sistema de monitoramento

    mais rpido, e consequentemente mais custoso.

  • 12

    Tabela 1.2: Tempo de desconexo de trs padres em funo das variaes de tenses

    IEEE 1547 IEC 61727 VDE 126-1-1

    Nvel de tenso (pu)

    Tempo de desconexo

    (s)

    Nvel de tenso (pu)

    Tempo de desconexo

    (s)

    Nvel de tenso (pu)

    Tempo de desconexo

    (s)

    V < 0,5 0,16 V < 0,5 0,10

    V 0,85

    V 1,1 0,2

    0,5

  • 13

    Por outro lado, o incremento da capacidade de gerao distribuda tem

    incentivado cdigos de rede cada vez mais severos dos principais pases onde a

    penetrao das energias renovveis j destacada.

    Existem vrios mtodos usualmente adotados para a deteco e o tratamento

    dos ilhamentos: os mtodos passivos, ativos e externos. Alguns desses mtodos sero

    destacados no captulo 4.

    c) Operao ilhada

    A operao ilhada inicia-se aps a ocorrncia do ilhamento, sua deteco e a

    atuao do sistema de proteo anti-ilhamento. Neste caso, a operao dos sistemas

    fotovoltaicos similar aos sistemas autnomos ou isolados, garantindo o suprimento

    adequado das cargas locais (as cargas do consumidor responsvel pelo sistema

    fotovoltaico) [25]. Muitas vezes, no possvel manter todas as cargas locais durante a

    operao ilhada. A soluo usualmente adotada a utilizao de dispositivos de

    gerenciamento cargas, conforme apresentados na Figura 1.5.

    Figura 1.5: Operao ilhada dos sistemas fotovoltaicos interconectados com dispositivos de gerenciamento de carga

    1.2.3. Qualidade de energia

    A qualidade da energia fotovoltaica processada e entregue rede eltrica deve

    obedecer aos principais critrios de qualidade estabelecidos pelas normas regulatrias.

  • 14

    Assim, a qualidade da tenso, as oscilaes de frequncias, flikers, nveis de harmnicos

    de correntes e THD devem ser atendidos. A violao de um destes ndices de qualidades

    pode propiciar a desconexo do sistema fotovoltaico, de acordo os critrios

    apresentados na sub-seo 2.2.1.

    a) Corrente CC

    O nvel de corrente contnua permitido varia de acordo com o padro e a

    topologia escolhida. Para o padro IEEE, os nveis so definidos pela norma IEEE 1574

    [13].

    A injeo de corrente contnua pode acarretar saturao de transformadores.

    Para os sistemas sem isolao galvnica, os nveis de correntes CC podem ocasionar

    superaquecimentos dos conversores e outros transitrios. Os nveis permitidos so

    apresentados na Tabela 1.5 de acordo com padro escolhido.

    Tabela 1.5: Nveis de correntes CC permitidos

    IEEE ICC < 0,5%

    IEC ICC < 1%

    DIN ICC < 1 A durante 200 ms

    b) Harmnicos de correntes

    Os sistemas fotovoltaicos devem garantir limites de THD de correntes

    definidas pelas normas. Em primeiro lugar, preciso manter os padres de qualidade da

    rede de energia eltrica, mas tambm garantir um fornecimento de energia adequado aos

    equipamentos conectados rede. Para as normas IEEE 1547 e IEC 61727, a distoro

    mxima permitida 5%. Esse valor corresponde metade sugerida pela IEEE 519 [26].

    A Tabela 1.6 apresenta os nveis de harmnicos de correntes permitidos para os padres

    IEEE e IEC.

  • 15

    Tabela 1.6: Nveis de Harmnicos aceitos para as normas IEEE, IEC e VDE-DIN

    Ordem do harmnico % em relao fundamental

    3 < h < 11 4,0

    11 h < 17 2,0

    17 h < 23 1,5

    23 h < 35 0,6

    H 35 0,3

    c) Fator de potncia

    As normas IEEE e VDE no definiram limites para fator de potncia. J o

    padro IEC 61727 define os valores de fatores de potncia adequados de acordo com a

    contribuio do sistema fotovoltaico em termos de potncia. Para os sistemas onde a

    energia solar fornece entre 10 e 50% da potncia nominal, o fator de potncia exigido

    tem que ser superior a 0,85. Quando a contribuio da parcela solar ultrapassa 50%, o

    fator de potncia permitido deve superar 0,90.

    1.3. Motivaes do trabalho

    O aumento do nmero das fontes de energia renovveis e intermitentes na matriz

    energtica, associado com as diversas metodologias de gerao distribuda tem exigido

    novas estratgias para a operao e controle do sistema eltrico visando manter a

    confiabilidade, o desempenho, qualidade e segurana do mesmo. Muitos desafios so

    encontrados na integrao dessas fontes renovveis diante das normas, procedimentos,

    legislaes e restries ambientais cada vez mais acentuados com a proliferao das

    tcnicas variadas de gerao distribuda. As constantes presses pelo uso de energias

    limpas associadas queda vertiginosa dos preos dos sistemas fotovoltaicos tm

    aumentado cada vez mais a interconexo massiva dos sistemas fotovoltaicos com a rede

    de distribuio de energia eltrica. As particularidades decorrentes na integrao da

    energia solar na matriz energtica e no sistema eltrico merecem novas discusses sobre

    as tcnicas e procedimentos de rede.

  • 16

    Paralelamente, os sistemas fotovoltaicos tm encontrados trs problemas

    principais: os custos ainda considerveis das instalaes iniciais, os problemas de

    ilhamentos e de gerenciamento de cargas encontrados nos sistemas interconectados

    rede eltrica. A intermitncia e o sobredimensionamento dos sistemas isolados

    associados s dificuldades de armazenamento e baixa eficincia dos painis

    fotovoltaicos, incapazes de converter em eletricidade toda a energia que recebem do Sol

    so desafios a serem superados. No entanto, o desenvolvimento recente da tecnologia de

    concentradores solares orgnicos (organic solar concentrators OSC) associados aos

    avanos obtidos na pesquisa das pelculas finas contribuir e muito para um futuro mais

    promissor e acessvel da energia solar fotovoltaica.

    Por outro lado, a utilizao das tecnologias envolvendo a Eletrnica de Potncia

    tem sido bastante proveitosa para o aproveitamento das fontes de energias renovveis

    tanto para sistemas conectados rede quanto para os sistemas isolados. A Eletrnica de

    Potncia sofreu um crescimento significativo com o desenvolvimento das chaves

    semicondutoras cada vez mais rpidas e em potncias mais altas. As tcnicas de

    controle tornaram-se mais aprimoradas com o desempenho dos microprocessadores

    voltados para aplicaes em tempo real.

    Contudo, o comportamento dos sistemas interconectados rede na ocorrncia de

    ilhamentos ainda aleatrio devidos aos muitos fatores que podem provocar essas

    ocorrncias. Contrariamente aos sistemas de gerao elica que possuem mecanismos

    que garantem a capacidade de operar diante de variaes de tenso de curta durao

    (VTCD) na rede eltrica (low-voltage ride-through), os sistemas fotovoltaicos devem

    ser totalmente desconectados da rede quando ocorrem ilhamentos [24]. Muitas vezes, as

    cargas situadas no ponto de conexo comum (PCC) so tambm desconectadas.

    Algumas configuraes preveem corte seletivo de cargas no PCC durante o ilhamento.

    Neste caso, a gerao fotovoltaica como um sistema isolado, suprindo cargas locais. No

    entanto, neste caso, dispositivos apropriados de gerenciamento de cargas so

    necessrios para a operao adequada do sistema. Alm disso, o sistema fotovoltaico

    deve ser dimensionado para suprir toda a carga interligada durante algum tempo quando

    ocorre ilhamento. O que pode ser invivel dependendo do tamanho e da complexidade

    da carga conectada no PCC. Nessa configurao, a carga pode tambm desconectar-se

    dependendo da severidade do afundamento de tenso e o tipo de carga.

  • 17

    Sabe-se ainda que a rede de distribuio no projetada para absorver geraes

    de energia. Nesse caso convm diagnosticar o impacto da gerao distribuda,

    particularmente a energia solar fotovoltaica na rede de distribuio de energia eltrica.

    Mais ainda, com o objetivo de aumentar a segurana e a disponibilidade dos sistemas

    interconectados, problemas relacionados aos ilhamentos devem ser detectados e tratados

    com medidas apropriadas. Diante desta situao, a proposta de um sistema hbrido,

    autoilhado capaz de atender tanto aos sistemas conectados rede como s aplicaes

    voltadas para sistemas isolados ou ambos pode ser uma das possveis solues.

    Outro aspecto essencial para aumentar a eficincia dos sistemas fotovoltaicos a

    escolha adequada do controle MPPT (Maximum Power Point Tracking Rastreamento

    do Ponto de Potncia Mxima). Estudos afirmam que dependendo da aplicao, o

    MPPT adequado pode contribuir no acrscimo em at 25% no aproveitamento global de

    energia [27]. Muitas vezes o controle MPPT feito por um conversor CC/CC. Com esta

    configurao, o sistema possui dois estgios de converso: um estgio dedicado ao

    rastreamento do ponto de potncia mxima e regulao de tenso do elo CC. O outro

    estgio de converso possibilita a interconexo com a rede eltrica ou com a carga

    isolada, dependendo do sistema considerado.

    1.4. Objetivos do trabalho

    O objetivo da tese a concepo e a implementao de um sistema fotovoltaico

    que pode operar em trs modos distintos. Esta forma de operao em vrios modos deve

    garantir a flexibilidade e a operao tima (operao no ponto de potncia mxima) do

    sistema tanto quando conectado rede, como tambm durante a sua operao isolada.

    Isto realizado por meio de um conversor back-to-back com a gerao fotovoltaica

    situada entre os dois conversores. Um dos conversores interconectado rede enquanto

    o outro conversor alimenta uma carga isolada, considerada prioritria, podendo operar

    com tenso e frequncia varivel. A carga prioritria considerada como exemplo neste

    trabalho um motor de induo trifsico de 1 hp, para bombeamento de gua.

    Este sistema pode ser uma forma eficiente e efetiva de aproveitamento de

    energia solar em zona urbana, principalmente nos sistemas de bombeamento prediais.

  • 18

    Porm, sua aplicao produz melhores resultados nas comunidades e regies remotas,

    onde a rede eltrica de distribuio, mesmo quando presente, apresenta qualidade muito

    aqum dos limites aceitveis. A escassez energtica dessas regies freia todas as

    tentativas dessas comunidades serem ativamente produtivas e de terem seus direitos

    bsicos assegurados. A implementao deste projeto nesses lugares uma forma vivel

    de lutar em prol da erradicao da pobreza. Isso certamente contribuir para

    perspectivas promissoras das condies de vida dos cidados envolvidos.

    A tese tem os seguintes objetivos especficos:

    i) Apresentar uma configurao fotovoltaica que possibilite o

    aproveitamento das vantagens tanto dos sistemas conectados rede

    eltrica como tambm as vantagens dos sistemas fotovoltaicos

    autnomos. O sistema estudado um conversor back-to-back full

    converter com uma gerao fotovoltaica entre os dois conversores. Um

    dos conversores (conversor #1) conectado rede e o outro conversor

    (conversor #2) carga isolada;

    ii) Analisar a operao sistmica da configurao proposta em i) para a

    comprovar sua flexibilidade comparada com os sistemas fotovoltaicos

    atuais. Esta configurao ser analisada para trs modos distintos de

    operao: a operao conectada rede na qual toda a gerao

    fotovoltaica entregue rede de distribuio e as cargas situadas no PCC

    (cargas locais e vizinhas) atravs do conversor #1; operao padro na

    qual a potncia do gerador fotovoltaico compartilhada entre a rede a

    carga isolada (operando com valores nominais de tenso e frequncia); e,

    a operao autnoma durante o ilhamento (frequncia e tenso varivel

    para a carga e isolada e frequncia e tenso fixa para as cargas locais).

    Com esta configurao, a complexidade dos problemas decorrentes do

    gerenciamento de carga dos sistemas interconectados ser simplificada.

    Os problemas de intermitncia, sobredimensionamento e armazenamento

    dos sistemas isolados tambm sero eliminados;

    iii) Implementar um prottipo laboratorial de 1,1 kWp para a validao do

    sistema proposto.

  • 19

    1.5. Sumrio

    A tese est organizada em 7 captulos principais.

    O captulo 2 apresenta algumas limitaes operacionais dos sistemas

    fotovoltaicos de um nico conversor. Em seguida, ser apresentada uma configurao

    que possibilite o aproveitamento das vantagens dos sistemas interconectados rede e

    tambm dos sistemas isolados. Esta configurao baseada em um conversor back-to-

    back permitir a concepo e operao de um sistema fotovoltaico interconectado

    rede e/ou isolado. O sistema concebido, quando interconectado rede, funcionar com

    tenso e frequncia nominal atravs do dispositivo de sincronismo. Porm, na operao

    isolada (durante o ilhamento), o sistema deve ter a capacidade de suprir uma carga

    isolada (motor de induo trifsico para bombeamento, de frequncia varivel

    conectado ao outro conversor). Alm disso, em funo das condies de irradiao solar

    e da temperatura, o sistema deve manter uma carga de frequncia e tenso fixa no

    barramento do PCC.

    O captulo 3 discute o problema da baixa eficincia das clulas fotovoltaicas e

    apresenta uma reviso bibliogrfica das tecnologias mais recentes utilizadas na

    fabricao dessas clulas. Essas tecnologias tm como principal objetivo o aumento do

    rendimento das clulas fotovoltaicas e reduo dos preos dos painis para nveis

    competitivos comparados com as outras fontes de energias limpas.

    O Captulo apresenta ainda a modelagem de clulas PV utilizadas. Um modelo

    matemtico completo que permite uma reproduo fiel dos painis da Kyocera KC 130

    foi desenvolvido no PSCAD/EMTDC. Esse modelo baseado na identificao dos

    parmetros das clulas e considera tanto as variaes de temperatura como tambm da

    intensidade de irradiao solar.

    O captulo 4 apresenta as principais configuraes e arranjos de sistemas

    fotovoltaicos com a aplicao da eletrnica de potncia. Ser apresentado o conversor

    fonte de tenso (Voltage Source Converter - VSC) aplicado para sistemas fotovoltaicos

    e as duas formas de controle: controle por tenso ou por corrente.

  • 20

    Este captulo discute ainda o algoritmo MPPT baseado na condutncia

    incremental e sua aplicao para a deteco do ponto de potncia mxima para

    conversores de um nico estgio, assim como suas principais vantagens e limitaes.

    Por fim, o captulo apresenta a reviso das principais tcnicas utilizadas para a

    deteco e tratamento de ilhamentos.

    O captulo 5 detalha as estratgias de controle (composto de um controle

    principal e outro auxiliar) do conversor back-to-back aplicado em sistemas

    fotovoltaicos. As estratgias de controle possibilitam a operao confivel e flexvel em

    trs modos distintos de operao. A transio entre os modos deve ser suave,

    transparente s cargas, dependendo apenas das condies da rede e do gerador

    fotovoltaico.

    Ser discutida atravs de simulaes realizadas no PSCAD/EMTC a operao

    sistmica da configurao proposta, evidenciando a flexibilidade e a confiabilidade do

    sistema, sem a necessidade da utilizao de baterias para armazenamento.

    O captulo 6 apresenta os resultados experimentais de um prottipo laboratorial

    de 1,1 kWp composto de 9 painis solares KC 130 da Kyocera.

    O captulo 7 apresenta as concluses do trabalho assim como as propostas para

    trabalhos futuros.

    A tese apresenta ainda as referncias bibliogrficas, e em anexo, o projeto dos

    controladores do sistema de controle.

  • 21

    CAPTULO 2

    Modos de Operao de Sistemas

    Fotovoltaicos Distribudos

    A energia solar fotovoltaica pode ser aproveitada de duas maneiras distintas:

    interconectada rede ou dimensionada para suprir instalaes isoladas. Nos dois casos,

    a utilizao de dispositivos de eletrnica de potncia imprescindvel para viabilizar o

    uso da energia gerada pelos painis solares [28]. No entanto, as tecnologias solares

    ainda representam uma parcela desprezvel na matriz energtica mundial (menos de

    1%), comparada com as outras formas de gerao de energia. Isso devido pelos altos

    custos das instalaes fotovoltaicas. Alm disso, as normas e legislaes mais rgidas

    dificultam uma maior penetrao da energia solar.

    Alm disso, a concepo de sistemas fotovoltaicos otimizados por natureza

    complexa, devido essencialmente s caractersticas no lineares das curvas I V (e

    consequentemente P V) das clulas solares. Do lado da fonte, a gerao de energia

    fotovoltaica varia fortemente em funo da irradiao, da temperatura, do

    envelhecimento global do sistema e das demais condies climticas e ambientais. Do

    lado da carga (contnua ou alternada), a principal dificuldade o comportamento

    aleatrio de cada tipo de carga.

  • 22

    No caso dos sistemas isolados, o problema a intermitncia e a necessidade da

    utilizao de sistemas de armazenamento, alm da necessidade de sobredimensionar a

    planta fotovoltaica com potncia nominal muito acima da carga a ser suprida.

    Para os sistemas interconectados, o principal desafio assegurar a estabilidade

    do sistema e preservar todos os indicadores de qualidade de energia (distoro

    harmnica, nveis de tenso, flicker, transitrias, etc.) na interconexo com a rede.

    Torna-se ento essencial o desenvolvimento de uma configurao e um

    mecanismo adicional que permitam o aproveitamento de toda a capacidade de gerao

    dos painis fotovoltaicos quando interconectados rede ou suprindo cargas isoladas,

    resguardando todos os indicadores de qualidade e continuidade no fornecimento de

    energia eltrica.

    Este captulo discute as limitaes dos sistemas fotovoltaicos isolados e

    interconectados. Como alternativa, ser apresentada uma configurao que possibilite a

    operao do sistema em trs modos distintos.

    Essa estrutura baseada em um conversor back-to-back aplicados para sistemas

    fotovoltaicos visa obter uma operao mais confivel e flexvel com reflexos

    economicamente positivos. Isto porque se ter com a proposta ora apresentada

    vantagens operacionais, as quais se destacam:

    Garantia de operao adequada da carga isolada sem a necessidade de

    sobredimensionar a gerao fotovoltaica, nem da utilizao de baterias para

    armazenamento, fato que no ocorre em sistemas fotovoltaicos autnomos normalmente

    adotados;

    Possibilidade de aproveitamento da energia fotovoltaica quando a

    desconexo da rede por carga leve exigida (sobretenso);

    Troca de energia com a rede (consumo ou gerao) dependendo da

    demanda de carga que est sendo solicitada pela carga prioritria;

    Garantia de mximo aproveitamento de potncia para todos os modos de

    operao;

    Operao de cargas no muito sensveis s variaes de tenso na

    ocorrncia de ilhamentos.

  • 23

    Nesse cenrio, o impacto na operao do sistema ser acentuada,

    proporcionando uma confiabilidade em garantir o suprimento de potncia mxima em

    todos os modos de operao, alm da operao flexibilizada na troca de energia com a

    rede.

    Para este trabalho, a carga isolada considerada como sendo a carga prioritria

    que deve ser mantida durante o ilhamento e baixa gerao fotovoltaica. um motor de

    induo trifsico voltado para bombeamento de gua.

    2.1. Sistemas fotovoltaicos de um nico conversor

    2.1.1. Sistemas fotovoltaicos isolados

    As primeiras aplicaes dos sistemas fotovoltaicos para gerao de energia

    eltrica eram isoladas, conforme apresentado na Figura 2.1. Em geral, a energia solar

    era utilizada como alternativa, quando a rede eltrica no est presente, o que o caso

    dos satlites e algumas aplicaes espaciais. No incio do sculo XX, os sistemas

    fotovoltaicos isolados comearam a ganhar uma relevncia na aplicao residencial,

    principalmente nas comunidades isoladas onde a baixa densidade populacional e o

    afastamento do sistema de suprimento no compensavam os investimentos em redes de

    distribuio de energia [29].

    Figura 2.1: Estrutura de um sistema fotovoltaico isolado

  • 24

    O controle dos sistemas fotovoltaicos isolados simples. Normalmente, o sinal

    de referncia possui frequncia e amplitude fixas. A tenso senoidal no lado da carga

    ajustada em funo do ndice de modulao. Algumas configuraes podem associar

    dispositivos de gerenciamento de cargas no seu sistema de controle. Esses dispositivos

    preveem cortes seletivos de cargas em funo da variao na gerao fotovoltaica.

    A principal limitao dos sistemas isolados o sobredimensionamento e a

    intermitncia. Normalmente, as instalaes fotovoltaicas isoladas so

    sobredimensionadas com capacidade de gerao muito acima da carga a ser suprida e

    devem ser capazes de operar nos momentos de baixos ndices de irradiao solar. A

    soluo usualmente adotada para garantir a continuidade do suprimento na ausncia ou

    insuficincia na gerao fotovoltaica a utilizao de sistemas de armazenamentos

    como baterias [28].

    2.1.2. Sistemas Fotovoltaicos Interconectados

    A possibilidade de interconectar as fontes de energias renovveis rede eltrica

    de baixa ou mdia tenso atravs da interface eletrnica de potncia a principal

    responsvel para o crescimento vertiginoso da insero dos sistemas fotovoltaicos na

    matriz energtica.

    A presena da rede eltrica possibilita uma melhoria na controlabilidade e na

    estabilidade dos sistemas interconectados. A tenso da rede pode fornecer os sinais de

    sincronismos adequados, controle do elo CC e outros sinais de controle adicionais como

    proteo contra ilhamentos necessrios para uma operao equilibrada do sistema.

    A rede tambm torna desnecessrio o armazenamento comumente empregado

    nos sistemas isolados. Contudo, surgem outros problemas relacionados aos ilhamentos,

    qualidade de energia, confiabilidade na interconexo.

    A estrutura completa de um sistema fotovoltaico distribudo interconectado

    rede sem o sistema de armazenamento apresentada na Figura 2.2. O sistema

    composto de uma gerao fotovoltaica, da rede eltrica, de um transformador (que entre

    outras funes assegura a isolao galvnica entre o conversor e a rede), de uma

  • 25

    proteo para ilhamentos, um dispositivo de gerenciamento de carga e das cargas locais

    e vizinhas interconectadas ao PCC [24].

    Figura 2.2: Configurao completa de um sistema fotovoltaico interconectado

    Alm das funes bsicas (Controle da Tenso do elo CC, sistema de

    sincronismo composto por um PLL (Phase Locked Loop) e controle de corrente injetada

    na rede), o sistema de controle pode envolver funes especificas como a garantia da

    transferncia de potncia mxima entre o sistema PV e a rede pelo algoritmo MPPT,

    sistema de anti-ilhamento e de monitoramento. Alm disso, o controle pode envolver

    tambm funes auxiliares como a necessidade da filtragem ativa, controle da

    microgerao e fornecimento de potncia reativa.

    Essa configurao possibilita o suprimento das cargas locais pelo sistema

    fotovoltaico. O excedente da gerao solar injetado na rede. Do mesmo, a rede

    tambm compensar o dficit de gerao fotovoltaica para o suprimento das cargas do

    consumidor produtor (o consumidor responsvel pelo sistema fotovoltaico).

    Na ocorrncia de ilhamento, o sistema de proteo anti-ilhamento (AI) atuar

    desconectando a rede da gerao fotovoltaica. Nesse caso, a operao do sistema

    similar de um sistema fotovoltaico autnomo suprindo apenas as cargas locais.

  • 26

    Em funo da capacidade da gerao fotovoltaica, um dispositivo de proteo

    adicional de gerenciamento de carga (GER) pode ser acionado para garantir apenas o

    suprimento das cargas locais prioritrias, desconectando as outras cargas locais,

    conforme detalhado na Figura 2.3.

    Figura 2.3: Sistema de gerenciamento de cargas durante a operao ilhada

    Uma alternativa ao sistema de gerenciamento de cargas e a utilizao de

    sistemas de armazenamentos que podem auxiliar no suprimento de todas das cargas

    locais durante o ilhamento.

    Essa configurao muito utilizada em sistemas fotovoltaicos distribudos e tem

    apresentado resultados satisfatrios em condio normal de operao. A operao

    autnoma tambm possvel para alguns casos, porm ineficiente. Na ocorrncia de

    ilhamentos, o sistema controlado atravs de referncias de tenso e frequncia fixas.

    Neste caso, a amplitude da tenso do lado alternada (CA) controlada atravs do ndice

    de modulao (relao entre amplitude do sinal de referncia senoidal e da portadora

    triangular na modulao por largura de pulso PWM).

    No entanto, com essa topologia, no h garantia quanto operao no ponto de

    potncia mxima durante a operao autnoma. Pode haver ento uma grande diferena

  • 27

    entre a potncia produzida pelo sistema fotovoltaico e a potncia efetiva transferida para

    as cargas locais.

    E, como se sabe, a energia oriunda do sol ainda uma forma cara de produzir

    energia eltrica, devida principalmente ao baixo rendimento das clulas fotovoltaicas,

    incapazes de converter em eletricidade toda a energia que recebem do sol. Alm disso, a

    dificuldade no armazenamento da energia produzida, principalmente nos momentos de

    pouca demanda e alta capacidade de gerao tambm representa um obstculo para os

    sistemas fotovoltaicos. Da a necessidade de investigar sistemas e configuraes que

    permitiro o aproveitamento de toda a energia gerada a todo instante,

    independentemente das condies de operao da rede eltrica e da potncia das cargas

    a serem supridas.

    2.1.3. Sistemas de Armazenamento PV

    Os sistemas de armazenamentos so muito utilizados nas fontes de energias

    renovveis, devido principalmente s suas caractersticas intermitentes e a forte variao

    na gerao no caso dos sistemas isolados. Para os sistemas interconectados, sistemas de

    armazenamentos auxiliares so utilizados como alternativa durante a operao ilhada.

    Alm de injetar energia na rede, o gerador fotovoltaico tambm pode suprir sistemas de

    armazenamentos que podem garantir o funcionamento adequado das cargas locais

    durante o ilhamento [30].

    Diferentes tecnologias de armazenamento de energia principalmente das fontes

    renovveis tm sido investigado nos ltimos anos [31]. O armazenamento por meio de

    baterias tradicionalmente o mais utilizado. As baterias possuem tempos de cargas e

    descargas rpidas que podem ser melhoradas em funo da composio qumica

    utilizada na sua fabricao. Alm disso, o preo desse tipo de armazenamento mais

    competitivo comparado com as outras formas [31]. No entanto, a principal limitao

    dos sistemas de armazenamento em aplicaes fotovoltaicas o custo inicial alto,

    necessidade de manuteno regular, furtos, tempo de vida curta e os danos ambientais

    associados sua inutilizao.

    Estudos demostraram que a vida mdia de uma instalao fotovoltaica superior

    a 20 anos enquanto que a vida til de um banco de bateria de aproximadamente 4

  • 28

    anos. Jacqueline et al. [32] afirma que mesmo com manuteno regular, a porcentagem

    de falhas das baterias supera 30% comparada com os outros componentes envolvendo

    os sistemas fotovoltaicos. comum ento as baterias falharem prematuramente

    encarecendo demasiadamente os custos operacionais [32] [33].

    Outros trabalhos enfatizaram os riscos ambientais associados ao descarte das

    baterias. Os componentes das baterias, alm de serem cancergenas e txicas, podem

    provocar doenas neurolgicas (chumbo), dificuldades motoras (cdmio, mercrio),

    etc.. Em alguns pases desenvolvidos, os fabricantes so obrigados de adotar polticas de

    descartes e reciclagem das baterias. O que no o caso de muitos pases em

    desenvolvimento onde as polticas de separao seletiva de lixo, principalmente txico

    so ineficientes, quando existem.

    Outros sistemas de armazenamentos como os supercapacitores, flywheels;

    hidrognio, ar comprimido, bobinas supercondutoras esto sendo integradas com os

    sistemas fotovoltaicos, principalmente quando interconectados rede. Porm os custos

    ainda elevados desencorajem o uso desses sistemas em aplicaes fotovoltaicas [31].

    A Figura 2.4 [34] apresenta os custos dos componentes de uma instalao inicial

    de um sistema fotovoltaico. Somente os custos do banco de bateria representam 30% do

    capital inicial, para um tempo de vida de 4 anos.

    Figura 2.4: Composio dos custos de uma instalao fotovoltaica [34].

  • 29

    2.2. Configurao proposta

    Sabe-se que os custos dos sistemas fotovoltaicos ainda so altos, apesar das

    quedas drsticas dos preos nos ltimos anos. Convm ento a proposta de uma

    configurao que possibilite a garantia de mxima transferncia de potncia entre o

    sistema e as cargas, tanto para operao interconectada quanto ilhada, alm de

    minimizar os custos de instalao e de manuteno.

    A aplicabilidade da configurao proposta foi considerada para uma regio rural

    remota, pouco povoada, caracterizada por um sistema de suprimento caracterstico de

    uma rede fraca: muitas interrupes e m qualidade no fornecimento. Esse fato faz da

    energia solar fotovoltaica uma das apostas futuras do mundo rural em termos

    energticos [35] contra o isolamento. A replicao deste trabalho nesses locais favorece

    melhorias das condies de acesso sade, abastecimento em gua, irrigao e

    agricultura, sistemas de refrigerao e conservao de alimentos, acesso aos servios de

    telecomunicaes. Isso contribuir para a estabilizao dessas populaes em seus

    lugares de origens, diminuindo os problemas migratrios energticos, climticos e

    econmicos.

    Muitas aplicaes com esse propsito foram realizadas atravs de polticas

    governamentais, organismos internacionais e algumas das empresas mais relevantes do

    mundo, principalmente do setor eltrico [36] [37] [38] [39].

    A Organizao das Naes Unidas para a agricultura e a alimentao (FAO

    Food and Agriculture Organization) tem executado alguns projetos voltados para

    agricultura utilizando sistemas fotovoltaicos dotados de dispositivos de bombeamento

    de gua e sistemas de refrigerao para a converso de alimentos [36]. Os projetos

    muitas vezes apoiados por pases ricos, universidades, programas de cooperao

    internacionais e organismos como a Unio Europeia tem beneficiado muitos pases em

    desenvolvimento. Programas de incluso das populaes rurais atravs da integrao

    das energias renovveis tm melhorado a qualidade de vida de muitas comunidades,

    principalmente no quesito alimento e abastecimento de gua potvel pelo processo de

    dessalinizao (osmose) [37] [38].

  • 30

    Outros projetos como a Produo Agroecolgica Integrada e Sustentvel

    PAIS, cuja meta principal o desenvolvimento de tcnicas de produo agrcola

    sustentvel para o pequeno produtor pode ser um exemplo de aplicao [39]. O critrio

    de aplicabilidade desse projeto escolher os lugares onde a rede de energia eltrica est

    presente. A sua replicao em alguns pases africanos, que em geral apresentam crises

    energticas somente seria vivel mediante instalao de outras formas de gerao de

    energia, como proposto nesse trabalho.

    A configurao proposta deve suprir dois tipos de cargas distintas:

    i) Um conjunto de pequenas cargas alimentadas com tenso e frequncia fixas,

    mas que no sejam muito sensveis a possveis interrupes. Entre essas

    cargas, podem ser citados sistemas de iluminao, notebooks para escolas,

    carregadores para celulares ou alguns equipamentos para posto de sade

    (refrigerador para vacinas ou esterilizador, etc.); e,

    ii) Um motor de bombeamento trifsico para suprimento de gua (para

    consumo humano, irrigao, agricultura etc.) que poder operar com

    velocidade varivel e consequentemente com tenso (V) e frequncia (f)

    tambm variveis, ainda mantendo a relao V/f constante [40].

    Chen et al [41] e M. Bellar et al [42] citam algumas vantagens dos motores

    trifsicos em relao aos motores monofsicos. Obtm-se valores mais elevados de

    torque de partida, menos vibraes e rudos para determinada potncia consumida.

    Contudo, a utilizao deste tipo de motor depende da disponibilidade de sistemas de

    alimentao trifsicos. Caso contrrio, a utilizao de um conversor monofsico para

    trifsico [43], [44] necessrio para o aproveitamento dos motores trifsicos.

    A configurao assim proposta apresentada na Figura 2.5. O sistema um

    conversor back-to-back com a gerao fotovoltaica situada entre os dois conversores,

    sem a necessidade de um sistema de armazenamento.

  • 31

    Figura 2.5: Configurao Proposta

    Em aplicaes envolvendo energias renovveis, os conversores back-to-back

    j esto sendo utilizadas h algum tempo em sistemas voltados para gerao de energia

    elica, principalmente em mquinas DFIG (Doubly-Fed Induction Generator),

    mquinas de induo e sncrona [45].

    Para aplicaes envolvendo sistemas fotovoltaicos, os conversores back-to-

    back esto sendo utilizados como condicionador de energia, conforme relatado por

    Cavalcanti et al. [46].

    Contudo, nenhuma das configuraes citadas a garante operao isolada da

    carga na ocorrncia de ilhamentos. Nesse sentido, com intuito de propiciar uma

    operao mais confivel e flexvel, prope-se a utilizao do conversor back-to-back

    de maneira a possibilitar a operao do sistema em trs condies distintas: operao

    totalmente interconectada, operao totalmente isolada, ou operao compartilhada

    (troca de energia entre o sistema fotovoltaico, carga e rede).

    O sistema composto dos tipos de cargas citados, de dois conversores, sendo

    que o conversor #1 opera com frequncia fixa e o conversor #2 pode operar com tenso

    e frequncia variveis em funo do modo de operao. O sistema de proteo anti-

    ilhamento (AI) deve atuar desconectando as cargas do consumidor produtor da rede e

    das cargas vizinhas no PCC. O dispositivo de gerenciamento de carga (GER) possibilita

    a desconexo e religamento das cargas locais no prioritrias em funo da capacidade

    de gerao fotovoltaica na ocorrncia de ilhamento, como o caso na configurao

    convencional. O sistema possui ainda o transformador de isolamento galvnico, os

  • 32

    indutores de comutao e um sistema de controle (composto por um controle principal e

    outro auxiliar que devem atuar em funo do modo de operao) que assegura a

    operao equilibrada e flexvel do conjunto.

    2.3. Natureza das cargas

    A melhoria da eficincia dos sistemas fotovoltaicos depende da escolha

    adequada dos tipos de cargas a serem supridas, da aplicao desejada e o sistema de

    controle utilizado. Para os sistemas interconectados, a rede pode absorver todo o

    excedente de energia da gerao fotovoltaica, garantindo a todo instante a mxima

    transferncia de potncia. Para as cargas com caractersticas de impedncia ou corrente

    constante, o sistema poder no operar no ponto de potncia mxima, fornecendo

    apenas a potncia demandada por essas cargas. Para as cargas com caractersticas de

    potncia constante, em funo da aplicao desejada, o sistema pode operar no ponto

    de potncia mxima a todo instante por meio de um controle adequado.

    Um exemplo dessas aplicaes um Motor de Induo Trifsica (MIT) para

    bombeamento de gua. Essa carga, alm de ser vantajosa tcnica e economicamente

    permite um controle de velocidade atravs de um controle escalar (V/f constante) ou

    vetorial [47], [48]. A potncia fornecida pelo sistema fotovoltaico varia na mesma

    proporo que a velocidade de rotao do motor. Ou seja, uma queda de 50% na

    gerao fotovoltaica acarreta em uma reduo de 50 % na velocidade de rotao do

    motor, e consequentemente da vazo ou presso de um sistema de bombeamento [47].

    A literatura apresenta diversas aplicaes voltadas para o bombeamento

    fotovoltaico. ALAAN (2006) [47] estima em 150.000 as aplicaes conhecidas em

    2010. No Brasil, muitos sistemas de bombeamento fotovoltaicos j foram instalados

    atravs de programa