Estudo da qualidade da energia elétrica de inversores com duas topologias diferentes e desempenho energético de sistemas fotovoltaicos com distintos fatores de dimensionamento

Abstract

O aumento da demanda de energia evidencia a necessidade cada vez mais presente na busca por novas fontes energéticas, sobretudo fontes renováveis e com menor impacto ambiental. A energia solar fotovoltaica, técnica confiável, eficiente e com uma fonte abundante, ganha papel de destaque nas novas fontes de energia. Nos últimos anos, o microinversor fotovoltaico, uma tecnologia já conhecida, porém ainda pouco difundida devido ao seu alto custo, passou a ganhar uma parcela significativa do mercado, disputando o espaço com inversores string. Porém, a escolha do inversor afeta diretamente o desempenho global dos sistemas fotovoltaicos, incluindo a qualidade da energia elétrica gerada e o desempenho do sistema. Assim, a presente dissertação analisa a qualidade da energia elétrica gerada e o desempenho de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica de baixa tensão com inversores de distintas topologias e fatores de dimensionamento. Foram analisados 3 sistemas fotovoltaicos, localizados em diferentes localidades na região sul do Brasil. O Sistema FV 1 está instalado no telhado de uma edificação na cidade de Santa Rosa do Sul, Santa Catarina, e é composto por duas strings em paralelo, contando cada uma com 7 módulos de 455 Wp conectados em série, totalizando 6,37 kWp, e um inversor string com potência nominal de 5 kW. O Sistema FV 2 está instalado no telhado de uma edificação na cidade de Alpestre, Rio Grande do Sul, sendo composto por 2 subsistemas idênticos, sendo estes denominados subsistemas A e B, cada um sendo constituído por duas strings em paralelo, contando cada uma com 7 módulos de 455 Wp conectados em série, totalizando 6,37 kWp, e um inversor string com potência nominal de 5 kW. O Sistema FV 3 está instalado no telhado de uma planta piloto bioclimática no campus Araranguá da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e é composto por dois subsistemas, denominados subsistemas C e D. O subsistema C, com inversor string, apresenta uma potência instalada de 0,99 kWp, sendo composto por 3 módulos, com potência de 330 Wp cada, conectados em série, e 1 inversor, com potência de 1,5 kW. O subsistema D, com microinversor, apresenta uma potência instalada de 0,92 kWp, sendo composto por 2 módulos, com potência de 460 Wp e 1 microinversor, com potência de 2 kW. Foram coletados dados utilizando um analisador da qualidade da energia elétrica e também diretamente dos sistemas de monitoramento dos inversores. Os Sistemas FV 1 e 2, com valores de FDI de 0,78, em potências relativas de 100%, 50% e 20%, obtiveram valores de THDi e das componentes harmônicas dentro dos limites estabelecidos em norma. O subsistema C, com um FDI de 1,51, apresentou uma potência relativa máxima de 53,2%. Foram realizadas extrapolações para valores de 100% da potência nominal. Nestas condições, o valor de THDi obedeceria o limite estabelecido em norma. Em relação ao subsistema D, com maior valor de FDI, 2,17, os dados obtidos não apresentaram nenhuma tendência, devido ao fato de o inversor estar trabalhando grande parte do tempo em potências relativas muito baixas. Quanto ao rendimento dos sistemas, o Sistema FV 1 apresentou um índice de produtividade anual de 1130,25 kWh/kWp e o Sistema FV 2 de 1180,65 kWh/kWp. O subsistema C apresentou uma índice de produtividade anual de 1225,69 kWh/kWp. Para o subsistema D, não foi possível a obtenção de dados de geração para o período de um ano. O índice de produtividade para um período de 8 meses foi de 814,30 kWh/kWp. Fazendo um comparativo entre os subsistemas C e D, localizados na mesma latitude, longitude, orientação e ângulo de inclinação, o subsistema C apresente um índice de produtividade 3,23% superior ao subsistema D. Inversores operando com baixo carregamento podem gerar maiores níveis de distorção harmônica, diretamente relacionada à irradiação solar. Microinversores não mostraram maior eficiência que inversores string nos sistemas analisados, possivelmente devido a eficiência de conversão e ao fator de carregamento.

Abstract: The increasing demand for energy highlights the ever-present need for new energy sources, especially renewable sources with lower environmental impact. Photovoltaic solar energy, a reliable and efficient technique with an abundant source, plays a prominent role in the new energy sources. In recent years, the photovoltaic microinverter, a technology already known but still not widely disseminated due to its high cost, has begun to gain a significant share of the market, competing with string inverters. However, the choice of inverter directly affects the overall performance of photovoltaic systems, including the quality of the generated electrical energy and system performance. Thus, this dissertation analyzes the quality of the generated electrical energy and the performance of photovoltaic systems connected to low-voltage electrical grids with inverters of different topologies and sizing factors. Three photovoltaic systems located in different locations in the southern region of Brazil were analyzed. PV System 1 is installed on the roof of a building in the city of Santa Rosa do Sul, Santa Catarina, and consists of two parallel strings, each with 7 modules of 455 Wp connected in series, totaling 6.37 kWp, and a string inverter with a nominal power of 5 kW. PV System 2 is installed on the roof of a building in the city of Alpestre, Rio Grande do Sul, and is composed of 2 identical subsystems, called subsystems A and B, each consisting of two parallel strings, each with 7 modules of 455 Wp connected in series, totaling 6.37 kWp, and a string inverter with a nominal power of 5 kW. PV System 3 is installed on the roof of a bioclimatic pilot plant on the Araranguá campus of the Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), and is composed of two subsystems, called subsystems C and D. Subsystem C, with a string inverter, has an installed power of 0.99 kWp, consisting of 3 modules, with a power of 330 Wp each, connected in series, and 1 inverter, with a power of 1.5 kW. Subsystem D, with a microinverter, has an installed power of 0.92 kWp, consisting of 2 modules, with a power of 460 Wp and 1 microinverter, with a power of 2 kW. Data were collected using a power quality analyzer and also directly from the inverter monitoring systems. PV Systems 1 and 2, with SFI values of 0.78, at relative powers of 100%, 50%, and 20%, obtained THDi values and harmonic components within the limits established by the standard. Subsystem C, with an SFI of 1.51, presented a maximum relative power of 53.2%. Extrapolations were made for 100% of the nominal power values. Under these conditions, the THDi value would comply with the limit established by the standard. Regarding subsystem D, with a higher SFI value of 2.17, the obtained data showed no trend, because the inverter was operating most of the time at very low relative powers. Regarding the efficiency of the systems, PV System 1 presented an annual productivity index of 1130.25 kWh/kWp and PV System 2 of 1180.65 kWh/kWp. Subsystem C presented an annual productivity index of 1225.69 kWh/kWp. For subsystem D, it was not possible to obtain generation data for the period of one year. The productivity index for an 8-month period was 814.30 kWh/kWp. Making a comparison between subsystems C and D, located at the same latitude, longitude, orientation, and tilt angle, subsystem C had a productivity index 3.23% higher than subsystem D. Inverters operating with low loading can generate more harmonic distortion, directly related to solar irradiation. Microinverters did not show greater efficiency than string inverters in the analyzed systems, possibly due to conversion efficiency and loading factor.