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An. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004

 

Particularidades da geração distribuída com sistemas fotovoltaicos e sua integração com a rede elétrica

 

 

Wilson Negrão MacedoI; Roberto ZillesII

IPrograma Interunidades de Pós-Graduação em Energia, Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos, Instituto de Eletrotécnica e Energia - Universidade de São Paulo. Av. Professor Luciano Gualberto, 1289 - Cidade Universitária - CEP 05508-900. São Paulo - SP, Telefone: 11 3091 2656 - Fax: 11 3816 7828 E-mail: wnmacedo@iee.usp.br
IIPrograma Interunidades de Pós-Graduação em Energia, Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos, Instituto de Eletrotécnica e Energia - Universidade de São Paulo. Av. Professor Luciano Gualberto, 1289 - Cidade Universitária - CEP 05508-900. São Paulo - SP, Telefone: 11 3091 2656 - Fax: 11 3816 7828 E-mail: Zilles@iee.usp.br

 

 

RESUMO

Neste trabalho faz-se uma abordagem das particularidades da geração distribuída com sistemas fotovoltaicos bem como a interação desses sistemas com a rede elétrica, tomando como base aspectos relacionados ao seu funcionamento bem como as várias formas de se conceber um sistema fotovoltaico conectado à rede (SFCR). Embora o inversor seja o elemento de grande influência quanto ao tipo de conexão, mostra-se através das diferentes formas de conexão que a interação dos SFCRs com a rede elétrica é bastante influenciada pelas políticas de incentivo ou tratamento dado a essa aplicação em cada localidade em particular. Esse aspecto pode influenciar na demanda por parte do proprietário da instalação, principalmente se este for um consumidor cativo que agora se torna um produtor de energia elétrica.

Palavras chaves: Conexão a Rede, Geração Distribuída, Sistemas Fotovoltaicos

ABSTRACT

In this work an approach of the particularities of the distributed generation with photovoltaic systems as well as the interaction of these systems with the electric grid is done, base aspects related to your operation and the several forms of conceive a grid connected photovoltaic system (SFCR) are taking into accounted. It shows through the different forms of consolidate the connection with the electric grid, which besides the inverter be the key element of this kind system, SFCRs' Interaction with the electric grid is enough influenced by the incentive policies or given treatment for this application in each place in particular. That aspect can influence in the demand by the owner of the installation, mostly if this is a captive consumer that now becomes an electric power producer.

 

 

1. Introdução

A utilização de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica era, até pouco tempo, influenciada principalmente pelas topologias dos inversores utilizados e dos padrões de conexão exigidos pela concessionária local. No entanto, a disseminação dessa aplicação por meio de políticas de incentivos fizeram com que as particularidades desses sistemas, assim como sua interação com a rede elétrica, possibilitassem uma série de configurações que implicam em várias formas de controle e conexão com a rede. Em conseqüência, surgiram várias formas de se computar os fluxos para efeito de faturamento ou não.

Na atualidade, a tendência para a utilização da configuração baseada no conceito de String e inversores comutados pela rede elétrica, implica em uma certa padronização no que se refere à combinação gerador fotovoltaico mais inversor, principalmente quando se fala nas aplicações dispersas1. No entanto a conexão e a conseqüente interação com a rede elétrica dependem também do tratamento que é dado a essa alternativa de geração de eletricidade, em cada localidade específica.

Com o propósito de ilustrar alguns aspectos relacionados às influências inerentes da existência ou não de políticas de incentivo para a aplicação dos SFCRs, alguns cenários são apresentados. Esses cenários, além de influenciarem no perfil de consumo da edificação, implicam em formas e pontos de conexão diferenciados, bem como em distintas formas de registros dos fluxos de energia elétrica para efeito de faturamento ou simplesmente para se fazer o balanço entre o excedente injetado na rede elétrica e a energia consumida da mesma.

 

2. Interação com a Rede

Nos SFCRs, o elemento que condiciona a potência fotovoltaica para a posterior injeção desta na rede elétrica é o inversor. O inversor utilizado em um SFCR difere daquele usado em unidades isoladas pelo fato de que, na maioria das aplicações, ele só funciona quando ligado à rede elétrica. Como resultado, ele funciona como a interface entre o arranjo fotovoltaico e a rede. Por essa razão, as estratégias de operação dos SFCRs estão estritamente associadas à configuração utilizada e mais ainda ao tipo de inversor empregado.

Nos SFCRs o inversor não funciona somente como um sistema condicionador da potência de saída do arranjo fotovoltaico, ele atua como o controle do sistema, e de meio através do qual a potência elétrica gerada flui para a rede elétrica da concessionária de distribuição ou transmissão. Esse equipamento geralmente utiliza a tensão e freqüência da rede elétrica como parâmetros de controle para assegurar que a saída do SFCR está totalmente sincronizada com a potência elétrica da rede. Em alguns inversores mais sofisticados utilizados em SFCRs, a impedância de entrada da rede no ponto de conexão também foi incorporada como parâmetro de controle, em outras palavras, o monitoramento da rede é feito pela determinação da impedância de entrada da mesma. Isso implica no fato de que o inversor pode ser conectado em um maior número de pontos, facilitando significativamente a instalação.

Uma questão bastante interessante e que vale a pena ser ressaltada está relacionada aos SFCRs residenciais, onde o período de pico da geração fotovoltaica raramente coincide com o pico de carga da residência, assim sendo, dependendo da relação entre a capacidade de geração do SFCR e carga instalada no local, pode ocorrer que a produção seja muito maior que o consumo nesse período. Esse aspecto pode se tornar um problema em alimentadores que possuam muitos SFCRs com excedente de produção, causando elevações de tensão que podem tranqüilamente superar os limites admissíveis por norma.

Uma das grandes vantagens do SFCR é que os inversores utilizados nesse tipo de sistema são construídos sem a preocupação de suportar surtos muitas vezes requeridos pelas cargas, tal como acontece no sistema isolado. Isso se deve ao fato de que a rede elétrica satisfará qualquer surto de carga solicitada, contudo, um bom dimensionamento é de fundamental importância nesse tipo de aplicação. O inversor deve ser cuidadosamente especificado em função da saída do arranjo fotovoltaico e os parâmetros que fazem a interface com a rede elétrica. Um ou dois SFCRs de pequeno porte, ligados a rede elétrica não causarão nenhuma alteração significativa no funcionamento da mesma. Por outro lado, agregar maus projetos ou inversores funcionando de maneira inadequada pode causar variações na forma de onda e freqüência da linha de distribuição, superando os limites aceitáveis pela concessionária local.

De um modo geral, uma instalação de um SFCR é bastante parecida com a de um sistema isolado (SI), quando se olha do ponto de vista dos componentes individuais. Porém, existem diferenças fundamentais na interação interna dos componentes, particularmente com respeito ao inversor. Em resumo, um SFCR não pode ser confundido com um SI sem baterias (Strong & Scheller, 1993).

Nas aplicações de SFCRs em edificações, onde o inversor é referenciado como o condicionador de potência, a potência CC de saída do arranjo fotovoltaico é convertida para CA com a qualidade exigida pela carga e a rede elétrica. Então, dependendo do nível da potência gerada pelo SFCR e da demanda flutuante da edificação, a potência CA poderá fluir para carga ou para ambos (carga e rede elétrica).

Com um equipamento convencional, o SFCR não pode operar sem a presença do sinal da rede elétrica. Então, desejando-se utilizar a potência CC gerada pelo SFCR durante períodos em que a rede elétrica estiver fora de operação, se faz necessário ou a instalação de um segundo inversor capaz de operar de maneira isolada ou utilizar um inversor capaz de trabalhar com e sem a rede elétrica.

Para assegurar a segurança frente aos eventuais serviços de operação e manutenção, as concessionárias requerem que os SFCR desconectem-se imediatamente da rede, sempre que a rede elétrica falhe.

 

3. Configurações e Componentes

Há diversas configurações de sistemas monofásicos de processamento de energia fotovoltaica, empregando as mais diversas topologias de conversores estáticos, operando com chaveamento em baixa ou em alta freqüência. Uma abordagem mais detalhada sobres essas topologias, pode ser encontrada em Rodrigues et al. (2003), segundo o qual elas podem ser divididas basicamente em quatro grupos:

  1. Topologias com um único estágio inversor (não-isoladas);
  2. Topologias com um único estágio inversor (isoladas);
  3. Topologias com múltiplos estágios de inversão (isolados);
  4. Topologias com múltiplos estágios de inversão (não-isolados).
    5.

A figura 1 mostra os diagramas de bloco representativos de cada uma dessas topologias. Vale ressaltar que o isolamento galvânico entre o lado CC e CA, facilita o processo de utilização de proteções como é o caso do aterramento do lado CC. Em vários SFCRs, a fim de uma diminuição de custos e de complexidade, o isolamento galvânico dos painéis não é utilizado, o que traz dificuldades em relação ao aterramento dos mesmos.

 

 

Uma outra classificação ainda mais abrangente, associada às diversas formas de se conceber os SFCRs, ou mais precisamente as várias configurações de arranjo-inversor ou ainda ao tipo de módulo empregado, também é bastante utilizada e pode ser mencionada tal como segue:

  1. Sistemas com uma única combinação arranjo-inversor centralizada;
  2. Sistemas com várias combinações arranjo-inversor descentralizadas (do inglês, string-configuration);
  3. Módulos CA;
  4. Sistemas com várias combinações de arranjo e um único inversor centralizado (do inglês, mult-string-configuration).
    5.

Sistemas com uma única configuração arranjo-inversor centralizada são comumente usadas em instalações fotovoltaicas de grande escala (grandes centrais), essas instalações se situam em uma faixa de potência de 20 - 400 kW (Abella, 2004).

Sistemas menores atualmente utilizam o conceito de Strings, ou seja, várias combinações de arranjo-inversor descentralizadas. Segundo Abella (2004), esse conceito foi introduzido no mercado europeu em 1995, quando a SMA2 lançou o inversor SWR 700. Com base na característica modular do gerador fotovoltaico, cada arranjo é conectado a um inversor na faixa de potência de 1-3 kW, fornecendo energia à rede elétrica a qual estão conectados. Vale ressaltar, que algumas instalações em grande escala também têm utilizado esse conceito. Atualmente há um maior número de sistemas utilizando o conceito de String do que o de sistemas centralizados.

Uma terceira classificação está associada à utilização de módulos CA. Um módulo CA, é uma combinação de um módulo fotovoltaico e um inversor. Recentemente o conceito de sistemas com vários arranjos e um único inversor central (do inglês, mult-string-configuration) entrou no mercado, e é entendido por alguns autores como uma aproximação intermediária entre os sistemas que utilizam o conceito de String e os módulos CA. A figura 2 permite visualizar as configurações mencionadas acima.

Em resumo, pode-se dizer que a redução de fiação do lado CC e a minimização dos efeitos de sombreamento bem como das perdas por dispersão, que estão associados à utilização das configurações tipo string, multi-string ou módulos CA são fatores que são muitas vezes negociados com a simplicidade e alta eficiência dos sistemas centralizados.

 

4. Conexão com a Rede Elétrica - Ponto de Conexão

Nota-se que os aspectos abordados anteriormente, são de fundamental importância para a definição de projetos de SFCRs. Porém ressalta-se que as configurações desses sistemas não se limitam apenas à topologia do conversor estático ou inversor, bem como a combinação arranjo-inversor ou mesmo ao tipo de módulo empregado, mas também aos demais componentes que constituem o sistema. Pode-se considerar para fins de análise, que os elementos básicos que compõe um SFCR são:

Com base nesses elementos básicos, varias são as possibilidades ou configurações que podem ser implementadas para que uma instalação fotovoltaica seja efetivamente conectada a rede elétrica de baixa tensão. Essas configurações são muitas vezes definidas de acordo com a existência ou não de regulamentações e incentivos. A seguir serão abordadas algumas configurações que possibilitam um melhor entendimento da importância desses aspectos no desenvolvimento da aplicação fotovoltaica.

Nos SFCRs, o fornecimento de energia à rede elétrica (ponto de conexão) é geralmente realizado através de um medidor que permite o fluxo de potência em ambos os sentidos3 (do Inglês - net metering). SFCRs de pequeno porte usam o sistema Net Metering para reduzir os custos de conexão cobrados pelas concessionárias. Ou seja, nos locais onde já existe uma regulamentação elaborada ou uma negociação entre proprietário e concessionária de energia elétrica, a configuração Net Metering substitui a maior complexidade e custos necessários para satisfazer as exigências de interconexão existentes nos SFCRs de maior porte. Essa configuração também elimina os custos referentes à análise de engenharia necessária na implementação de grandes sistemas. A figura 3 mostra um diagrama esquemático dessa configuração, onde o medidor 1 permite que o proprietário da instalação monitore o quanto de energia está fluindo para a rede, enquanto o medidor 2 faz o balanço entre o que flui da edificação para a rede elétrica e da rede para a edificação, permitindo dessa forma que a energia excedente gerada pelo SFCR seja então descontada.

 

 

Essa configuração torna-se interessante para localidades onde não há nenhum incentivo a esse tipo de geração de energia, como é o caso brasileiro, onde o único retorno é redução do consumo interno da edificação onde o mesmo está instalado. Por outro lado, em locais onde a demanda social a favor da energia fotovoltaica há propiciado o estabelecimento de normativas que premiam toda a eletricidade fotogerada, tal como aconteceu na Espanha com Real Decreto 2818 de 1998, onde a retribuição obtida pelos produtores com a transferência de energia elétrica à rede dá-se através da soma do preço de mercado mais uma premiação estipulada de acordo com a potência instalada (Rosales, 2001). A configuração adotada na regulamentação Espanhola é representada na figura 4.

 

 

Na configuração acima, o medidor 2 mede a energia produzida (que neste caso corresponde à energia que é enviada a rede elétrica), para que possa ser faturada a companhia nos preços autorizados. Enquanto que, um contador secundário mede os pequenos consumos dos equipamentos que constituem o SFCR para descontá-los da energia produzida.

Nota-se que o faturamento da energia gerada por um SFCR pode ser efetuado de varias formas, implicando em diferentes pontos e formas de conexão. Estas questões podem ser melhor ilustradas com base em exemplos ou exercícios, representativos de uma determinada localidade. Supondo-se que em uma determinada região os SFCRs teriam obrigatoriamente que ser conectados no quadro geral da edificação e que somente o excedente que é fornecido a rede elétrica fosse beneficiado com incentivos. Com base nessas suposições, a configuração da figura 5 poderia ser utilizada como padrão.

 

 

Por outro lado, se toda a energia produzida pelo SFCR, instalado na região mencionada no parágrafo anterior, fosse beneficiada com incentivos, independente do ponto de conexão, permitindo também que o excedente fosse descontado no consumo final, a configuração da figura 6 tornar-se-ia a mais interessante.

 

 

Através dessas duas últimas análises, é possível observar alguns aspectos interessantes. Na primeira situação (figura 5), o benefício dado pelo excedente, provavelmente levaria o proprietário ou responsável da edificação ao qual o SFCR está instalado, a reduzir o seu consumo para vender mais excedente a rede elétrica se beneficiando duplamente. Isso se torna ainda mais provável de acontecer quando se trata de sistemas residenciais nos quais há maior facilidade em administrar a carga. Na segunda situação (figura 6), além da redução das perdas (carga localizada no ponto de conexão), esta configuração permitiria também a redução do consumo pelo sistema Net Metering, permitindo que o proprietário administre o seu consumo, se beneficiando também desse aspecto.

 

5. Conclusão

È possível identificar nesse trabalho, alguns aspectos importantes relacionados às particularidades da geração distribuída com SFCRs, bem como algumas características relacionadas a sua interação com a rede ao qual está conectado.

Nota-se, a partir da abordagem feita, que as várias maneiras de se conceber um SFCR não depende somente da configuração utilizada e do tipo de inversor, mas também de questões econômicas, tipo de rede e grau de interação com a concessionária local.

Com base no exercício apresentado, constata-se as particularidades existentes em cada estratégia de incentivo e interação com a rede elétrica. Por exemplo, o medidor 1 da figura 6 serve para faturar quanto o SFCR gerou independente do ponto de conexão, permitindo ao proprietário da instalação a escolha do mesmo se beneficiando de outros aspectos além do incentivo dado.

No caso específico do Brasil, onde a situação atual em termos de incentivos e regulamentação relacionados a essa aplicação é desfavorável, a configuração apresentada na figura 3 torna-se a mais apropriada para disseminação desses sistemas, pelos aspectos já mencionados anteriormente.

 

Agradecimentos

Este trabalho foi possível graças ao apoio do CNPq.

 

Referências

STRONG, S. J.; SCHELLER, W. G. The Solar Electric House. Massachusetts: Still River, 1993.

RODRIGUES, M.; TEIXEIRA, E. C.; BRAGA, H. A. C. Uma Visão Topológica Sobre Sistemas Fotovoltaicos Monofásicos Conectados à Rede de Energia Elétrica. Fifth Latin- American Congress: Electricity Generation and Transmission. São Pedro, SP, Brazil, v. novembro 2003.

ROSALES, I.; SANCHEZ, D. J. A.; ESCOLANO, D. F. M. Energia Solar Fotovoltaica en la Comunidad Autónoma de la Región de Murcia. Asociación de la Industria Foto- voltaica (ASIF), 2001.

 

 

1 Aplicações em edificações comerciais, públicas e residenciais.
2 Empresa alemã fabricante de equipamentos eletrônicos microprocessados.
3 Permitindo que o excedente da energia gerada pelo SFCR flua da edificação para a rede elétrica, e também que a potência elétrica necessária para atender a carga local, no período em que a geração fotovoltaica não for suficiente, flua da rede elétrica para a edificação.

 
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