Resumo: A geração de energia fotovoltaica, como um método de geração de energia novo e livre de poluição, aliviou consideravelmente a demanda por energia elétrica tradicional. No entanto, para o sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede, devido à sua aleatoriedade, volatilidade e intermitência inerentes, e considerando o grande número de componentes eletrônicos de potência não lineares presentes, a geração de energia fotovoltaica impacta significativamente a qualidade da energia na rede elétrica em comparação com os métodos tradicionais de geração de energia. Este artigo analisa os problemas causados pela geração de energia fotovoltaica conectada à rede elétrica, como harmônicos, flutuações e oscilações de tensão, injeção de corrente contínua, efeito de ilhamento e outros, e estuda e discute medidas viáveis para melhorar a qualidade da energia.
Introdução
Com a aceleração do processo de internacionalização e o rápido desenvolvimento da economia mundial, o consumo de energia também aumentou, assim como o esgotamento gradual das fontes de energia tradicionais e os problemas ambientais, que se tornam cada vez mais graves. A energia solar, como uma fonte de energia renovável limpa e não poluente, tem recebido grande atenção. Nos últimos anos, a capacidade instalada de geração de energia fotovoltaica continua a se expandir, e a eletricidade conectada à rede também tem aumentado ano a ano. No entanto, devido às características de sua capacidade instalada ser geralmente pequena, a distribuição geográfica ser relativamente dispersa e a flutuação da potência de saída ser grande, isso também tem causado um grande impacto na qualidade da energia da rede. Portanto, é de grande importância estudar a influência da geração de energia fotovoltaica na qualidade da energia para promover a produção de energia e a operação segura e estável da rede elétrica.
1. Princípio básico da geração de energia fotovoltaica
A geração de energia fotovoltaica utiliza o efeito fotovoltaico presente na superfície do semicondutor para enviar uma corrente contínua através da luz em ambas as extremidades do material semicondutor. Quando a luz solar incide sobre o nó PN do semicondutor, um novo par elétron-lacuna é formado e, após o fóton excitar o elétron da ligação covalente, o elétron flui para a região N e a lacuna flui para a região P, resultando em uma diferença de potencial entre as duas extremidades do semicondutor. Uma vez que o circuito em ambas as extremidades da junção PN esteja conectado, uma corrente será formada, fluindo da zona P para a zona N através do circuito externo, e a energia elétrica será fornecida à carga.
2. Estrutura e Classificação da Geração de Energia Fotovoltaica Conectada à Rede
Um sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede é composto principalmente por painéis solares (módulos), um controlador de rastreamento de alta potência (MPPT), um inversor CC-CA e diversos outros componentes, utilizando transistores bipolares de porta isolada (IGBT) como elementos de comutação no inversor fotovoltaico. A saída CC da célula solar é elevada pelo conversor CC-CC para aumentar o nível de tensão, e então a CC é convertida em corrente alternada com a mesma amplitude, frequência e fase da saída CC.medidor de tensão para trilho DINda rede elétrica através do inversor CC-CA, de forma a realizar a integração na rede elétrica ou fornecer energia à carga CA. A estrutura do sistema de geração de energia fotovoltaica é mostrada na Figura 1.
Figura 1. Estrutura de um sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede.
De acordo com o modo de operação conectado à rede, o sistema de geração de energia fotovoltaica pode ser dividido em três formas: conectado à rede em contracorrente, conectado à rede sem contracorrente e conectado à rede com comutação. O sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede é conectado diretamente à rede elétrica, não necessita de baterias para armazenamento de energia, economiza espaço, reduz significativamente o custo de instalação e supre a demanda de energia da rede. Portanto, o sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede é a principal direção de desenvolvimento da geração de energia solar e também um método promissor de geração de energia renovável na atualidade.
3. A influência da geração de energia fotovoltaica conectada à rede na qualidade da energia da rede.
A geração de energia fotovoltaica, como uma nova fonte de energia, está sujeita a condições externas aleatórias, voláteis e intermitentes, como iluminação, temperatura e outras, que impactam a rede elétrica. Dentre esses fatores, o inversor CC-CA é um dos principais equipamentos de um sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede, e a qualidade do inversor determina se a energia gerada atenderá, em certa medida, aos requisitos de conexão à rede. Quando a energia fotovoltaica é conectada à rede, problemas como harmônicos, flutuações e oscilações de tensão, injeção de corrente contínua e efeito ilhado podem ocorrer, reduzindo a qualidade da energia da rede e causando impactos negativos. Em casos graves, esses problemas podem comprometer a operação segura e estável do sistema de fornecimento de energia e do próprio equipamento de geração de energia fotovoltaica.
3.1 Influência Harmônica
A geração de energia fotovoltaica consiste na conversão da energia solar em corrente contínua por meio de módulos fotovoltaicos, que, por sua vez, convertem essa corrente contínua em corrente alternada através de um inversor conectado à rede elétrica. No sistema de geração de energia fotovoltaica, o inversor é o principal equipamento responsável pela geração de harmônicos. A grande quantidade de componentes eletrônicos de potência utilizados em inversores conectados à rede elétrica aprimorou o processamento de informações e a inteligência do sistema, mas também aumentou significativamente o número de cargas não lineares, causando distorção da forma de onda e introduzindo um grande número de harmônicos no sistema. O atraso na velocidade de comutação do inversor também afeta o desempenho dinâmico geral do sistema de energia, resultando em uma pequena faixa de harmônicos. Se as condições climáticas (irradiância, temperatura) sofrerem grandes variações, a faixa de flutuação dos harmônicos também aumentará. Embora os harmônicos da corrente de saída de um único inversor conectado à rede sejam pequenos, os harmônicos da corrente de saída de múltiplos inversores conectados à rede se sobrepõem após a conexão em paralelo, resultando em níveis de harmônicos na corrente de saída que excedem os limites permitidos. Além disso, a conexão em paralelo de inversores facilita a produção de ressonância paralela, o que leva ao fenômeno de ressonância de acoplamento, resultando na expansão da corrente harmônica específica e no problema do conteúdo harmônico excessivo da corrente conectada à rede.
Visando solucionar o problema da qualidade da energia após a entrada em operação de sistemas fotovoltaicos, são apresentados métodos eficazes para a supressão de harmônicos:
1) Partindo da fonte de geração de harmônicos, a fonte harmônica é reformulada para reduzir a injeção de harmônicos.
2) Dispositivos com filtros ativos ou passivos para absorver um número específico de correntes harmônicas.
3) Instale dispositivos adicionais de compensação harmônica.
3.2 Flutuações e oscilações de tensão
Em redes de distribuição tradicionais, a variação da potência ativa e reativa ao longo do tempo causa flutuações na tensão do sistema. Para a geração de energia fotovoltaica, a variação da potência ativa do sistema é o principal fator que causa flutuações e oscilações de tensão no ponto de acesso. O ponto de alta potência dos painéis fotovoltaicos, componentes essenciais do sistema de geração de energia fotovoltaica, está intimamente relacionado à intensidade da radiação, condições climáticas, estação do ano, temperatura e outros fatores. As variações aleatórias desses fatores naturais causam grandes oscilações na potência de saída, resultando em mudanças frequentes na potência de carga dentro de uma determinada faixa, o que causa flutuações e oscilações de tensão no ponto de consumo do usuário conectado à rede.
Atualmente, as soluções para os problemas de flutuação e oscilação da tensão fotovoltaica são as seguintes:
1) Otimizar a estratégia de controle de inversores fotovoltaicos conectados à rede para melhorar a estabilidade da tensão.
2) Aumentar a capacidade de curto-circuito da barra da subestação.
3) Quando a capacidade da usina fotovoltaica é determinada, seu fator de potência é aumentado para incrementar a potência ativa total, reduzindo assim a variação da potência reativa e atendendo aos requisitos de limite de flutuações de tensão.
3.3 Problema de injeção CC
Outro problema crucial a ser resolvido em sistemas de geração de energia fotovoltaica conectados à rede é a injeção de corrente contínua (CC). A injeção de CC afeta a qualidade da energia da rede e também traz efeitos adversos para outros equipamentos conectados. As normas IEEE Std929-2000 e IEEE Std547-2000 estipulam claramente que a componente de corrente CC injetada na rede pelo dispositivo de geração de energia conectado à rede não pode exceder 0,5% da corrente nominal do dispositivo. As principais causas da injeção de CC são:
A dispersão do próprio dispositivo eletrônico de potência e a inconsistência e assimetria do circuito de acionamento; 2) Deriva zero e não linearidade dos dispositivos de medição no controlador de alta potência; 3) Assimetria da impedância de linha de cada dispositivo de comutação, influência de parâmetros parasitas e campos eletromagnéticos parasitas, etc.
Atualmente, os principais métodos para suprimir a injeção de corrente contínua incluem: 1) método de compensação por detecção; 2) otimização e projeto da estrutura de conexão à rede do inversor; 3) separação direta do capacitor; 4) método de capacitância virtual; 5) transformador de isolamento do dispositivo.
3.4 O efeito do efeito ilha
O efeito de ilhamento refere-se ao fenômeno em que o fornecimento de energia da rede é interrompido por fatores humanos ou naturais, mas cada sistema de geração de energia fotovoltaica conectado à rede não consegue detectar a interrupção da rede a tempo, fazendo com que o sistema de geração de energia fotovoltaica e a carga conectada continuem operando de forma independente. Com a expansão contínua da taxa de penetração de geração de energia fotovoltaica conectada à rede, a probabilidade de ocorrência do efeito de ilhamento aumenta gradualmente. A formação do efeito de ilhamento tem efeitos adversos na qualidade da energia de toda a rede de distribuição, principalmente nos seguintes aspectos:
1) No local onde ocorre o efeito ilha, a tensão e a frequência flutuam bastante, o que reduz a qualidade da energia. Além disso, a tensão e a frequência na ilha não são controladas pela rede elétrica, o que pode causar danos aos equipamentos elétricos do sistema e falhas de religamento, além de representar riscos à segurança pessoal dos funcionários de manutenção da rede elétrica.
2) No processo de recuperação do fornecimento de energia, uma corrente de pico será gerada devido ao assincronismo entre as fases da tensão, o que pode causar uma queda instantânea na forma de onda da rede.
3) Após o efeito de ilhamento do sistema de geração de energia fotovoltaica, se o modo de fornecimento de energia original for monofásico, é possível que ocorra o problema de assimetria de carga trifásica na rede de distribuição, reduzindo assim a qualidade geral do consumo de eletricidade de outros usuários.
4) Quando a rede de distribuição passa para o modo isolado e depende exclusivamente do sistema de geração de energia fotovoltaica para fornecer eletricidade, se a capacidade do sistema de fornecimento de energia for muito pequena ou se nenhum dispositivo de armazenamento de energia estiver instalado, isso pode causar instabilidade de tensão e problemas de oscilação na carga do usuário.
Para lidar com o impacto do efeito ilha, existem principalmente as seguintes soluções:
1) Otimizar o método de detecção de ilhas em sistemas de geração de energia fotovoltaica conectados à rede, analisar a influência da geração de energia fotovoltaica no tamanho, direção e distribuição da corrente de falta na rede de distribuição e aprimorar a tecnologia de seleção da velocidade de corte de carga e divisão de ilhas em condições de falha.
2) Aprimorar a confiabilidade da tecnologia de detecção de ilhamento, configurar uma função de proteção anti-ilhamento rápida e eficaz, avaliar com precisão o status de ilhamento em circunstâncias anormais e interromper de forma rápida e eficaz a conexão à rede.
4. Solução
4.1 Monitoramento online da qualidade da energia
O dispositivo de monitoramento online de qualidade de energia APView500 adota uma plataforma multicore de alto desempenho e um sistema operacional embarcado, medindo os indicadores de qualidade de energia de acordo com os métodos de medição especificados na norma IEC61000-4-30 "Tecnologia de Teste e Medição - Métodos de Medição de Qualidade de Energia". Ele integra análise harmônica, amostragem de forma de onda, detecção de quedas/elevações/interrupções de tensão, monitoramento de cintilação, monitoramento de desequilíbrio de tensão, registro de eventos, controle de medição e outras funções. O dispositivo atende ao padrão IEC61000-4-30A-class em relação aos métodos de medição de parâmetros de índice de qualidade de energia, precisão de medição de parâmetros de índice, sincronização de relógio, função de marcação de eventos e outros aspectos, podendo atender aos requisitos de monitoramento de qualidade de energia em sistemas de alimentação de 110kV e abaixo.
4.2 Dispositivo de proteção anti-ilhamento
Quando o dispositivo de proteção anti-ilhamento detecta dados anormais, como potência reversa, mutação de frequência, etc., ou seja, quando ocorre o fenômeno de ilhamento, o dispositivo pode cooperar com o disjuntor para interromper rapidamente o nó, de modo que a subestação e a rede elétrica sejam separadas rapidamente, garantindo a segurança de toda a equipe da subestação e do pessoal de manutenção envolvido.
4.3 Introdução ao Produto
| Nome | Tipo | Foto | Função |
| Dispositivo de monitoramento online da qualidade da energia | APView500 |  | 16 canais de tensão/corrente CA 16 saídas de relé passivas programáveis 22 canais de entrada de comutação ativa 2 interfaces RS485 4 interfaces Ethernet 1 interface de sincronização GPS, compatível com o padrão de sincronização IRIG-B. Interface RS232 de 1 canal 1 interface USB |
| Dispositivo de proteção anti-ilhamento | AM5SE-IS |  | Proteção contra sobrecorrente em 3 estágios, disparo por baixa tensão, proteção contra sobretensão de sequência zero (disparo/alarme), proteção contra inversão de polaridade, proteção contra sobretensão (redução de carga em baixa frequência/proteção contra alta frequência), proteção contra sobrecorrente pós-aceleração, alarme de desconexão do circuito de controle, circuito FC com função de bloqueio de sobrecorrente, alarme de desconexão do TC |
| Caixa de barramento multiloop | APV-M4 |   | Monitoramento de confluência fotovoltaica de 4 circuitos |
| APV-M8 | Monitoramento de confluência fotovoltaica de 8 loops | ||
| APV-M10 | Monitoramento de confluência fotovoltaica de 10 loops | ||
| APV-M12 | Monitoramento de confluência fotovoltaica de 12 loops | ||
| APV-M16 | Monitoramento de confluência fotovoltaica de 16 loops | ||
| Dispositivo de coleta de confluência fotovoltaica | AGF-T |  | Monitore o estado operacional do painel no conjunto de fotocélulas, meça a corrente em série, colete o estado do para-raios na caixa de distribuição e colete o estado do disjuntor CC. |
| Dispositivo de monitoramento de contracorrente | AGF-AE |  | Tensão nominal do par de fios N: 120V Tensão nominal entre fios: 208/240V Redes suportadas: L1/L2/N/PE Comunicação: RS485 |
| Dispositivo de detecção de contracorrente | ACR10R |  | Medição integrada de todos os parâmetros de energia, monitoramento e gerenciamento de desempenho, com capacidade para realizar as funções de "mensagem remota" e "controle remoto" do disjuntor. |
| Dispositivo de monitoramento da qualidade da energia | APM830 |  | Rede: trifásica com três fios, trifásica com quatro fios Funções: medição de potência total, estatísticas de potência, análise da qualidade da energia, função de registro de ondas, função de registro de eventos. Precisão: classe 0,5S |
5. Conclusão
Com o rápido desenvolvimento da indústria de geração de energia fotovoltaica na China, a capacidade instalada e a quantidade de sistemas fotovoltaicos conectados à rede estão aumentando, o que tem afetado significativamente a qualidade da energia da rede. Portanto, é necessário estudar a influência da geração de energia fotovoltaica conectada à rede na qualidade da energia. Este artigo analisa o princípio básico e as características estruturais da geração de energia fotovoltaica, expõe as causas de harmônicos, flutuações de tensão e cintilação, injeção de corrente contínua e efeito de ilhamento em sistemas fotovoltaicos conectados à rede, e propõe medidas viáveis para melhorar a qualidade da energia, o que possui relevância para o aprimoramento da qualidade da energia gerada por sistemas fotovoltaicos.
Referências
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Data da publicação: 06 de maio de 2025