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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Avaliação da qualidade da energia fornecida por sistemas renováveis isolados de pequeno porte
Marcos André Barros GalhardoI; João Tavares PinhoII
IGrupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas (GEDAE), Universidade Federal do Pará (UFPA), Caixa Postal 8605, Ag. Núcleo Universitário, CEP: 66075-900, Belém-PA-Brasil. E-mail: galhardo@ufpa.br
IIGrupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas (GEDAE), Universidade Federal do Pará (UFPA), Caixa Postal 8605, Ag. Núcleo Universitário, CEP: 66075-900, Belém-PA-Brasil. E-mail: jtpinho@ufpa.br
RESUMO
Neste artigo faz-se uma análise da qualidade da energia elétrica no contexto de sistemas renováveis de pequeno porte em que o armazenamento da energia gerada é feito em um banco de baterias e o suprimento das cargas por um inversor CC/CA conectado a esse banco. Mostra-se que a qualidade da energia fornecida por esses sistemas depende do inversor utilizado, principalmente da sua forma de onda de tensão, da carga alimentada e do nível de tensão no banco de baterias, que tem influência direta no valor rms da tensão de saída do inversor. Para essas análises, são apresentadas medições em cargas típicas utilizadas nesses sistemas, como iluminação, TV, geladeira, etc. e combinações dessas cargas, alimentadas com diferentes formas de onda.
Palavras-Chave: Sistemas Renováveis, Inversores, Harmônicos, Sistemas Isolados, Qualidade da Energia.
ABSTRACT
This paper makes an analysis of the power quality supplied by small renewable energy systems with energy storage in a battery bank and its DC/AC conversion by an inverter. It is shown that the power quality supplied by stand-alone renewable systems depends on the used inverter, specially of its voltage waveform, the load supplied and the voltage level in the battery bank, which has a direct influence on the value of the rms output voltage of the inverter. For these analysis, measurements are presented for typical loads used in these systems as illumination, TV, refrigerator, etc., and combinations of these loads, supplied by different waveforms.
1. Introdução
Os sistemas de energias renováveis apresentam-se como alternativa propícia para geração de eletricidade em locais isolados da rede de distribuição de energia elétrica. Neste trabalho dá-se ênfase aos sistemas isolados de pequeno porte que fazem o armazenamento da energia gerada, proveniente de uma ou mais fontes renováveis, em um banco de baterias.
Dentre as aplicações mais freqüentes desses sistemas destacam-se: eletrificação de residências, prédios comunitários e pequenos comércios; iluminação pública; sistemas de sinalização e de iluminação de emergência; eletrificação de barcos e estações rádio base; etc.
No Brasil, os sistemas fotovoltaicos estão mais presentes nas aplicações para atendimento comunitário; isso se deve a programas governamentais como o PRODEEM (Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios), que apóia o uso da eletrificação rural para aplicações comunitárias. Por meio desse programa, já foram instalados milhares de sistemas fotovoltaicos para eletrificação de prédios em lugarejos isolados, como escolas, postos de saúde, centros comunitários, etc. (Gouvello e Maigne, 2003).
Os sistemas fotovoltaicos têm como principais vantagens: a simplicidade de instalação, a facilidade da expansão, o elevado grau de confiabilidade, a pouca necessidade de manutenção, além de ser um sistema silencioso, não poluente e a fonte renovável (sol) é inesgotável.
A orientação quando um sistema renovável é instalado, é para economizar energia utilizando equipamentos mais econômicos (geralmente cargas não-lineares) que executam a mesma função, quando comparados com outros de maior consumo, tendo em vista as limitações do sistema de geração em função da intermitência da fonte primária (sol e vento, por exemplo). Isso se torna imprescindível para o aumento da confiabilidade do sistema e diminuição dos seus custos de implantação. Porém, muitas das medidas de conservação, apesar de serem atrativas, se não forem estudadas e implementadas de forma conveniente, podem resultar em vários problemas relacionados à qualidade da energia elétrica.
2. Configuração típica
A configuração típica do sistema estudado é constituída pelo gerador (painel fotovoltaico, aerogerador, etc.), o qual converte a energia proveniente do recurso renovável em eletricidade, carregando um banco de baterias, geralmente através de um regulador de carga para o controle dos limites de carga no banco de baterias. A tensão CC é geralmente convertida em tensão CA por meio de um inversor estático.
A forma de onda da tensão de saída é uma indicação da qualidade e do custo do inversor, e depende do método de conversão e filtragem utilizados para suavizá-la e eliminar os harmônicos indesejáveis, que resultam do processo de conversão (A. T. Bonfim et al., 1998). Dentre as formas de onda de inversores destacam-se: quadrada, quadrada modificada, e senoidal. As figuras 1, 2 e 3 mostram as formas de onda de tensão dos inversores utilizados nas medições apresentadas neste trabalho e seus respectivos espectros harmônicos de amplitude e fase. Os picos elevados de tensão apresentados na forma de onda do inversor de onda quadrada desaparecem quando uma carga é conectada ao mesmo.
O inversor de onda senoidal utilizado (TRACE - 4.000 W) é geralmente empregado para o atendimento de cargas maiores, como por exemplo, suprimento de vários moradores em uma comunidade, além de dispor de controles para evitar danos devidos a sobretensão, sobrecorrente ou outras causas.
Em situações em que o atendimento se restringe a somente um prédio, os inversores mais utilizados são do tipo de forma de onda não-senoidal, pois apresentam custo bem abaixo que um inversor de onda senoidal. Os inversores de onda quadrada e quadrada modificada utilizados nas medições foram: LARK (300 W) e STATPOWER (800 e 1.500 W), respectivamente.
No entanto, há aplicações em que o equipamento utilizado é de baixa potência, porém requer que a sua tensão de alimentação seja isenta de harmônicos.
Os inversores com forma de onda quadrada são de mais fácil construção e mais baratos. Seus principais inconvenientes são: alta taxa de distorção harmônica de tensão (TDHv), superior a 40%, e baixa eficiência, em torno de 60 a 80 %. Os inversores de onda quadrada modificada apresentam TDHv de 15 a 35 % e eficiência de 80 a 95 %. Além disso, tanto os primeiros quanto estes, têm o inconveniente de não conseguir regular o pico da tensão, que varia com o estado da bateria. Os inversores de onda senoidal têm a vantagem de oferecer um melhor controle da freqüência e da amplitude da tensão, e sua alta eficiência (85 a 95 %) e baixa TDHv (1 a 5 %) tornam o inversor senoidal tecnicamente desejável. No entanto, o seu alto preço o torna inviável em muitas aplicações (Silva et al., 2003).
3. Problemas de qualidade de energia
Energia elétrica de boa qualidade é aquela que garante o funcionamento adequado, contínuo e seguro dos equipamentos elétricos e processos associados (Garcez, 2000). Os problemas de qualidade de energia dependem essencialmente da sensibilidade e da vulnerabilidade dos equipamentos envolvidos.
A seguir são apresentados os distúrbios que mais se manifestam em sistemas renováveis de pequeno porte:
Interrupções no fornecimento
O aumento dos dias de autonomia do banco de baterias (dias nos quais a energia armazenada no banco de baterias é suficiente para suprir a demanda projetada, sem nenhuma reposição de energia pela fonte renovável) encarece bastante o sistema. Às vezes, o sistema é projetado para atender somente um determinado período do dia e geralmente é utilizado até o corte do fornecimento pelo inversor devido à queda de tensão no banco de baterias. Há casos em que a geração renovável é insuficiente para repor no banco de baterias a energia demandada pela carga devido, por exemplo, à sazonalidades (meses de chuvas, meses com velocidade de vento baixa, etc.) ou dias atípicos (festas, férias, etc.). Por esses motivos, os sistemas renováveis de pequeno porte são suscetíveis a interrupção do fornecimento de energia elétrica às cargas.
Variação do valor rms da tensão de saída do inversor
A tensão de saída dos inversores de pequeno porte é dependente do valor da tensão instantânea do banco de baterias; com o decaimento da tensão do banco devido ao consumo, a tensão rms de saída tende a diminuir. Inversores sem regulação de tensão de saída podem ser prejudiciais à vida útil da carga a ser alimentada pelo mesmo, pois a carga tende a sofrer variações de tensões indesejáveis.
Outro fato bastante comum em sistemas de pequeno pote é a variação súbita no valor instantâneo da tensão de saída do inversor com a entrada de carga ou bloco de cargas.
Desequilíbrios (sistemas trifásicos)
Os desequilíbrios de tensão se devem principalmente às cargas monofásicas, que constituem a maioria das cargas nesses sistemas (em muitos casos só há a presença de cargas monofásicas). Nessas instalações, também a maioria dessas cargas são não-lineares (iluminação fluorescente, aparelhos de TV, etc.), pois geralmente as cargas eficientes possuem característica não-linear, e, mesmo havendo um equilíbrio razoável das cargas nas fases do sistema, haverá correntes com conteúdo harmônico no condutor neutro.
Harmônicos
A corrente com conteúdo harmônico produzida por cargas não-lineares influencia na tensão de alimentação, introduzindo componentes harmônicas na tensão, mesmo que o inversor não produza essas componentes. Essa influência é maior nos sistemas de geração de energia elétrica de pequeno porte, pois possuem baixa capacidade de curto-circuito, onde a demanda é próxima à potência de suprimento do sistema.
Em muitas aplicações, a alimentação é feita pelos inversores de onda não senoidal, especialmente os inversores de onda quadrada e quadrada modificada, nos quais, como já visto, a tensão de alimentação já apresenta uma alta TDH.
4. Influência da forma de onda de alimentação nas cargas
Carga resistiva
Na situação em que a carga é puramente resistiva, como por exemplo, lâmpada incandescente, ferro de soldar, ferro elétrico e chuveiro elétrico (embora não indicado o uso dessas cargas no sistema, devido ao alto consumo de energia ativa), a corrente é diretamente proporcional à tensão e, conseqüentemente, apresenta a mesma forma de onda da tensão com taxa de distorção harmônica de corrente (TDHi) igual à TDH da tensão de alimentação. Note-se também que, neste caso em que o objetivo é o aquecimento, pouco importa a qualidade da energia fornecida pelo inversor.
Motores
Para exemplificar esse tipo de carga, fez-se uma medição em um ventilador alimentado pelo inversor de onda quadrada. A tensão e a corrente medidas são mostradas na figura 4.
Verifica-se que com esse tipo de alimentação há a impossibilidade do equipamento atingir sua máxima potência e uma alimentação freqüente desse tipo de tensão poderá causar a redução da vida útil do aparelho. Observa-se notadamente a redução na rotação do aparelho e o aumento de ruído audível.
Quando os inversores de onda quadrada e quadrada modificada alimentam motores de indução, tem-se o aumento do aquecimento devido ao aumento das perdas no ferro e no cobre. Afetando-se, assim, a eficiência e o torque disponível. Outro fenômeno observado é a presença de harmônicos no fluxo magnético, produzindo alterações no acionamento, com componentes de torque que atuam no sentido oposto ao da fundamental.
Dessa forma, também para refrigeradores e freezers, não é indicada a alimentação pelos inversores de onda quadrada e quadrada modificada.
Na figura 5 tem-se os valores rms de tensão e corrente, e a freqüência em uma geladeira alimentada por um inversor de onda quadrada modificada (800 W), observa-se a queda da tensão significativa na partida do compressor e quando a porta da geladeira é aberta (funcionamento da lâmpada incandescente interna); essa queda também é acentuada pelo fato do banco de baterias não estar completamente carregado durante a medição. Verifica-se que a freqüência da tensão do inversor não sofreu nenhuma variação, permanecendo constante em 60 Hz.
Iluminação
Com o desenvolvimento tecnológico, surgiram no mercado de sistemas de iluminação lâmpadas com maior eficiência na relação lumens por Watt. Uma das lâmpadas classificada como eficiente é a lâmpada fluorescente compacta, que substitui a tradicional incandescente em ambientes residenciais e comerciais, com a vantagem de possuir uma vida útil cerca de dez vezes maior que as incandescentes e também representar uma economia de energia de cerca de 80% (Yamachita, 2002).
A figura 6 apresenta o espectro harmônico de amplitude da corrente de 4 lâmpadas PL quando alimentadas com os inversores de onda quadrada, quadrada modificada e senoidal.
Quando as lâmpadas utilizadas são alimentadas pelo inversor de onda quadrada, nota-se uma semelhança entre as formas de onda de tensão e corrente, como também entre seus espectros de amplitude e fase, o que torna, para essas lâmpadas, quando alimentadas por esse inversor, o fator de potência próximo de 1.
Observa-se que quando alimentadas pelo inversor de onda quadrada modificada ocorre uma elevação das amplitudes do espectro harmônico da corrente, mesmo em freqüências mais altas. Para essas 4 lâmpadas, quando a alimentação é senoidal, o 3º e o 5º harmônico apresentam amplitudes de 91,43 % e 76,65 %, respectivamente, em relação à fundamental.
Um parâmetro importante na escolha de um inversor é a potência que o mesmo pode suprir na partida de um equipamento. O inversor de onda quadrada utilizado, de 300 W, consegue dar partida simultânea em 10 lâmpadas PL (8x25 W e 2x10 W). Já o de onda quadrada modificada (1.500 W) não consegue dar partida nessas 10 lâmpadas PL simultaneamente (potência ativa de suprimento 5 vezes maior, comparada com a potência do de onda quadrada e quase 7 vezes maior que a potência nominal da carga). Isso se deve à alta corrente de pico das lâmpadas quando a alimentação é do tipo quadrada modificada e um maior valor de energia reativa solicitado na partida (Galhardo e Pinho, 2002).
A figura 7 mostra os valores rms de tensão (gráfico superior) e corrente (gráfico inferior) de 10 lâmpadas PL ao longo do tempo, alimentadas pelo inversor de onda quadrada modificada, ocorrendo, nesse período, várias tentativas de partida. A corrente de partida registrada das 10 lâmpadas foi de 5,25 A (máximo da corrente registrado no instante em que a tensão cai para zero). Para a alimentação quadrada, a corrente de partida registrada foi de 2,8 A.
O máximo de lâmpadas PL que o inversor utilizado de onda quadrada modificada consegue dar partida simultaneamente são 6, com potência menor ou igual a 150 W (6x25 W). Porém, esse inversor alimenta as 10 lâmpadas, dando primeiro a partida nas 6 lâmpadas e depois ligando as outras 4.
Então, deve-se atentar para esse fato quando, por exemplo, um sistema fotovoltaico de pequeno porte, utilizando um inversor de onda quadrada modificada, for destinado a alimentar lâmpadas fluorescentes compactas. No momento de ligá-las, elas podem não acender, o que pode levar à conclusão errônea de que a instalação do sistema de geração foi feita de maneira incorreta.
Se a partida nas 6 lâmpadas for dada ao desligar e ligar em poucos segundos o interruptor de alimentação das mesmas, elas não partem, devido a estarem aquecidas. Portanto, essas lâmpadas, quando aquecidas, requerem uma corrente de pico maior do que na condição desligadas por muitos segundos. Isto se deve à alteração na impedância de carga das lâmpadas, inclusive nas freqüências dos harmônicos, entre os estados "aquecido" e "frio" das mesmas.
Para a alimentação senoidal, a corrente de partida simultânea das 10 lâmpadas registrada foi de 6,1 A rms. Toda potência ativa e reativa requerida durante a partida é fornecida pelo inversor devido à sua capacidade de suprimento (4 kW) elevada em comparação à potência solicitada pelas lâmpadas. Logo, seria interessante fazer o teste com um inversor de menor capacidade ou alimentando uma carga mais elevada.
Para complementar esse estudo, torna-se necessário também realizar testes com lâmpadas fluorescentes com reatores eletromagnéticos e reatores eletrônicos, alimentadas com diferentes formas de onda, como já feito em (Silva et al., 2003). No entanto, deve-se fazer a relação entre a capacidade de suprimento dos inversores e a potência requerida para a partida das lâmpadas.
Cargas com fonte chaveada
Atualmente, quase que universalmente, microcomputadores, impressoras, copiadoras, lâmpadas fluorescentes com reator eletrônico, aparelhos de TV, de vídeo cassete, de fax e outros equipamentos eletrônicos monofásicos, possuem fontes chaveadas.
A figura 8 mostra o espectro harmônico de amplitude de corrente de um microcomputador ligado a um estabilizador de tensão e alimentado por diferentes inversores.
Uma característica desse tipo de carga, quando a alimentação é senoidal, são as altas amplitudes dos 3º, 5º e 7º harmônicos de corrente. Para o inversor de onda quadrada modificada, verifica-se que ocorreu uma significativa diminuição da amplitude do 3º harmônico e aumento das amplitudes dos harmônicos ímpares a partir do 9º, em relação à alimentação senoidal. Para a alimentação quadrada, observa-se a semelhança entre o espectro de amplitude da corrente e o espectro da tensão de alimentação.
Na tabela 1 verificam-se parâmetros efetivos da resposta da carga, que são semelhantes para a alimentação senoidal e para a quadrada modificada; porém, a corrente de pico é maior quando a alimentação é quadrada modificada, assim como a demanda de energia reativa.
Na figura 9 é mostrado o espectro de amplitude de corrente quando um aparelho de TV é alimentado com diferentes formas de onda, e na tabela 2 são apresentados os parâmetros medidos nessa carga.
Para a carga utilizada, os inversores de onda quadrada modificada e onda quadrada apresentaram melhores parâmetros de desempenho. Porém, a energia demandada pela carga é maior quando a alimentação é feita pelo inversor de onda quadrada modificada e, conseqüentemente, o banco de baterias se descarrega mais rápido que quando com a alimentação da carga feita pelo inversor de onda quadrada.
O inversor de onda quadrada apresenta praticamente a mesma forma de onda de corrente para as cargas com fonte chaveada. Grande parte dos equipamentos eletrônicos possui na entrada um retificador com filtro capacitivo; logo a tensão após a ponte retificadora (tensão sobre o capacitor de entrada), para uma alimentação puramente quadrada, é uma tensão CC, que faz com que esse capacitor esteja sempre carregado em regime permanente e o mesmo se comporte como um circuito aberto.
Para fins de comparação, na figura 10 mostra-se novamente o espectro de amplitude de corrente dos equipamentos eletrônicos utilizados (lâmpadas PL, microcomputador e aparelho de TV) alimentados pelo inversor de onda quadrada, verificando-se a semelhança entre seus espectros, assim como entre eles e o da tensão quadrada de alimentação.
Para exemplificar, fez-se uma medição com o inversor de onda quadrada alimentando um microcomputador e 4 lâmpadas PL de 25 W. A figura 11 apresenta as formas de onda de tensão e corrente resultantes dessas duas cargas em paralelo. A forma de onda de corrente é semelhante à forma de onda de corrente de um resistor de 55,2 W (tensão de pico sobre corrente de pico) caso o mesmo fosse alimentado pela forma de onda quadrada de tensão.
Nessa situação, a carga apresenta um valor de potência de distorção pequeno (4,933 VA) (Galhardo e Pinho, 2003), valores de taxa de distorção harmônica de tensão e corrente próximos (TDHv = 40,295 % e TDHi = 41,697 %) e um fator de potência próximo da unidade (0,995), devido à forma de onda da corrente originada pela combinação dessas cargas não-lineares, quando alimentadas por uma forma de onda quadrada de tensão.
Apesar dos parâmetros favoráveis acima, para o lado da conservação da energia, como menor consumo das energias ativa e reativa, as lâmpadas apresentaram um nível de iluminância baixo, comparado com a alimentação senoidal e quadrada mofificada.
Efeitos interessantes no espectro da corrente podem ser observados quando são conectadas várias cargas em paralelo e alimentadas com diferentes formas de onda, tornando-se evidente a possibilidade da compensação de harmônicos. O fenômeno da redução da TDHi total e também de cada carga individual pode ser visualizado através do efeito de cancelamento que ocorre na combinação das cargas e também através da influência mútua entre as mesmas (Galhardo, 2002).
5. Conclusões
Dentro do contexto da qualidade de energia elétrica fornecida por sistemas renováveis isolados de pequeno porte, onde a principal preocupação consiste na conservação da energia, devido à limitação do sistema de geração e a intermitência da fonte primária, muitos aspectos relacionados à qualidade de energia são irrelevantes para o funcionamento do sistema. (Brito et al., 2004). Porém, nota-se que a conservação e a qualidade de energia elétrica estão diretamente correlacionadas. Medidas adotadas no sentido de conservar e racionalizar o uso da energia elétrica podem produzir reflexos negativos na área da qualidade.
Em testes realizados com equipamentos de mesma classe e porte, porém de outros fabricantes, foram observados efeitos semelhantes aos das medições apresentadas neste trabalho.
O tipo de aplicação ou o tipo de carga a ser suprida, associados ao custo, são fatores fundamentais que devem ser considerados na escolha de um inversor.
Observa-se neste trabalho que a forma de onda da tensão de alimentação em uma carga não-linear tem influência significativa no fator de potência e na taxa de conteúdo harmônico de corrente da mesma.
A operação dos mais diferentes equipamentos presentes em um sistema pode sofrer vários efeitos decorrentes do suprimento com tensões com conteúdo harmônico, além de fatores associados ao funcionamento indevido desses equipamentos.
6. REFERÊNCIAS
[1] Bonfim, A. T., Lima, E. H. M. e Costa, H. S; Reator Inversor Eletrônico para Acendimento de Lâmpada Fluorescente com Sistema Fotovoltaico; IV Encontro do Fórum Permanente de Energias Renováveis; outubro; 1998.
[2] Brito, A. U., Galhardo, M. A. B, Macêdo, W. M. e Pinho, J. T.; Power Quality Analysis of a Small PV-Wind-Diesel Hybrid System in the Countryside of the State of Para-Brazil; 19 th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition; Paris; França; junho; 2004.
[3] Galhardo, M. A. B.; Estudo da Influência Mútua de Harmônicos e Cargas Não-Lineares em Sistemas de Energia Elétrica; Dissertação de Mestrado; UFPA/CT/PPGEE; fevereiro, 2002.
[4] Galhardo, M. A. B. e Pinho, J. T.; Análise do Desempenho de Inversores de Pequeno Porte com Diferentes Formas De Onda; 4º Encontro de Energia no Meio Rural - AGRENER 2002; Campinas-SP; outubro; 2002.
[5] Galhardo, M. A. B. e Pinho, J. T.; Conceitos de Distorção e Não-Linearidades; Anais do V SBQEE - Seminário Brasileiro sobre Qualidade de Energia Elétrica; pp. 1-6; Aracaju-SE; agosto, 2003.
[6] Garcez, J. N.; apostila do curso Conservação e Qualidade de Energia; promovido pelo NESC / UFPA; agosto; 2000.
[7] Gouvello, C. e Maigne, Y.; Eletrificação Rural Descentralizada - Uma Oportunidade para a Humanidade, Técnicas para o Planeta; CRESESB-CEPEL; Rio de Janeiro; outubro; 2003.
[8] Silva, F. M., Camelo, N. J., Saavedra, O. R., Santos, W. M.; Iluminação Baseada em Sistemas Fotovoltaicos: Análise de Desempenho sob Condição de Tensão Não-Senoidal; 5th Latin-American Congress: Electricity Generation and Transmission; São Pedro-SP; novembro; 2003.
[9] Yamachita, R. A.; Influência da Utilização de Lâmpadas Fluorescentes Compactas no Sistema Elétrico e no Meio Ambiente; PCH Notícias & SHP News; No. 14; 2002.