Funções inteligentes de inversores fotovoltaicos para controle da potência reativa

Funções inteligentes de inversores fotovoltaicos para controle da potência reativa

Daniel Szente Fonseca

Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas

Escola Politécnica da USP

São Paulo, Brasil

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Resumo—Há hoje uma demanda global pelo incentivo de geração distribuída (GD) que utiliza fontes de energia renováveis. Contudo, a alta penetração desenfreada dessa geração pode acarretar vários problemas que comprometem a qualidade e a operação das redes de distribuição. Uma forma de mitigar esses efeitos é através da utilização de funções inteligentes em inversores, sobretudo em inversores acoplados a placas fotovoltaicas -a fonte mais incentivada globalmente-. Essas funções inteligentes podem controlar grandezas elétricas no ponto de acoplamento comum (PAC) e assim garantir que o impacto negativo da GD seja amortecido, e, também, fornecer serviços ancilares à rede. Esse artigo contextualiza a utilização de GD e de funções inteligentes de inversores fotovoltaicos, ademais, ele apresenta também duas funções inteligentes comumente utilizadas para o controle de potência reativa, por fim, é elaborado um algoritmo para a implementação da função de controle de reativos Volt-Var (VV), que é implementado utilizando uma plataforma de simulação de redes elétrica, e, então, são discutidos os resultados.

Palavras Chave—geração fotovoltaica, geração distribuída, inversores inteligentes, controle da potência reativa

1. Introdução

Existe uma preocupação global com o incentivo de geração distribuída (GD) que utilize fontes de energia renováveis, isso se materializa em diversos âmbitos desde propostas de órgãos internacionais [1] até incentivos governamentais [2]. Essas fontes são incentivadas por trazerem diversos benefícios como geração de empregos e consequente movimentação da economia, redução de poluição e emissão de gases que contribuem para o efeito estufa, além de diminuir as perdas na transmissão de energia.

Contudo, a conexão de GD em redes de distribuição, sobretudo, podem ocasionar problemas como geração de fluxo reverso -o que é especialmente danoso pois muitos equipamentos da rede não estão preparados para operar nessa condição-, desvios de tensão -aqui inclusos transgressão de limites e variação exacerbada-, flutuação da frequência, e outros problemas que afetam a qualidade da energia da rede elétrica. Além disso, as fontes mais populares, eólica e solar, são caracterizadas por intermitência em seu fornecimento de potência, que, aliado os outros fatores discutidos, pode causar distúrbios na operação da rede, tornando-a mais vulnerável e incapaz de fornecer energia dentro dos padrões de qualidade estabelecidos pela ANEEL[3].

Dado que tanto a fonte que mais é incentivada globalmente é a fotovoltaica [1] e que a sua operação necessariamente envolve a utilização de inversores, uma solução possível para a mitigação dos problemas acarretados por GD é o emprego de função inteligentes de inversores, assim aumentado a viabilidade dessa geração [4]. Vale a pena destacar que um modo popular de utilização da fonte eólica, DFIG (doubly-fed induction generator) [5], envolve a utilização de inversores, ou seja, o que é discutido aqui também pode se aplicar para a geração eólica.

Os inversores inteligentes possuem diversas capabalidades, entre elas, interessante para esse artigo, é a capabilidade de controle de potência ativa e reativa, tensão, harmônicas, frequência etc., de forma automática. Nesse artigo o foco será em funções capazes de mitigar problemas ligados à tensão da rede. Muitos inversores -sobretudo os de qualidade- no mercado vêm equipados com esse tipo de funcionalidade avançada e muito países têm preparado normas e resoluções que resultarão na incorporação dessas funcionalidades em todos os inversores [6][7].

Portanto, entende-se que há motivos que justifiquem o estudo de funções inteligentes de inversores fotovoltaicos para controle da potência reativa, que auxilia na manutenção da qualidade da tensão. Esse artigo se organiza em cinco seções: na primeira (I), foi apresentada uma breve introdução a respeito dos temas a serem discutidos; na segunda (II) é apresentada uma explicação resumida a respeito do como controlar a tensão através da troca de reativos com a rede, promovida por inversores; na terceira (III) é discutido em mais detalhes a utilização e os benefícios de funções inteligentes de inversores; na quarta (IV) são explicadas duas funções comuns para o controle de potência reativa; na quinta (V) e última seção é apresentado um estudo de caso em uma rede elétrica real para a utilização de um algoritmo desenvolvido para a aplicação da função inteligente Volt-Var (VV) por um gerador fotovoltaico. Por fim, conclui-se o artigo e apresenta-se as referências.

1. Controle de tensão através da troca de reativos

A proposta desse artigo é apresentar a função inteligente de inversores VV, que opera controlando a tensão através da troca de reativos com a rede elétrica pelo Ponto de Acoplamento Comum (PAC). Essa seção explica brevemente como isso pode ser possível.

Basicamente, a variação de tensão entre uma barra e outra em um sistema de distribuição é proporcional às perdas nos condutores que ligam uma barra a outra, ou seja, diminuindo-se as perdas, diminui-se o quanto se varia de tensão.

Além disso, sabe-se que essas perdas estão associadas ao módulo da corrente, ao quadrado, e, também, que a corrente que passa pelos condutores possui uma parte, real, que visa a atender a demanda ativa das cargas, e, uma parte, imaginária, que visa atender a demanda reativa das cargas.

Assim, atendo-se a demanda reativa de forma local, acarreta numa diminuição da demanda reativa vista pela subestação, e, portanto, diminui-se a parcela de corrente reativa que circula pelo alimentador em questão. Portanto, com um módulo de corrente menor, menor são as perdas e menor a queda de tensão.

Note que essa explicação é aproximada pois ela ignora questões como excesso de injeção de reativos por outros elementos da rede como capacitores, contudo, ela ajuda a ilustrar a principal forma como os inversores podem ser aplicados em redes de distribuição, que é diminuindo a corrente em alimentadores através do suprimento da demanda reativa local das cargas. Através da função VV, que será apresentada na próxima seção, o inversor será capaz de controlar a troca de reativos para manter um valor de tensão alvo.