operação de conversores back-to-back
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Operação de conversores back-to-back para aproveitamento de energia fotovoltaicaTRANSCRIPT
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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
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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
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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
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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
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v
Um homem cuja a ambio a reflorestao da Savana no pode desistir!
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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.
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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).
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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).
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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].
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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].
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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.
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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
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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