Estudo de proteção para sistemas de minigeração fotovoltaica e análise da influência da modelagem matemática do conversor estático

Abstract

Com a expansão da geração distribuída a partir de fontes renováveis na última década, a geração fotovoltaica passou a estar presente nos sistemas de distribuição de energia principalmente por centrais geradoras enquadradas pela legislação vigente como micro ou minigeração, cuja potência é limitada a 3 MW pelas atuais resoluções normativas da ANEEL. A partir da inserção da geração fotovoltaica e de outras fontes que utilizam interfaces de eletrônica de potência nas redes de distribuição, surgiu a necessidade de se utilizar funções de proteção de sobrecorrente direcional e de anti-ilhamento, que antes não eram utilizadas nos sistemas de distribuição, pois agora há a possibilidade de fluxo de potência bidirecional entre as barras do sistema e de formação de ilhamentos. Tendo em vista os estudos de proteção para geradores fotovoltaicos ainda não serem um tema consolidado na literatura, esta dissertação trata do estudo de proteção necessário para a conexão de usinas de minigeração fotovoltaica aos sistemas de distribuição de energia, analisando como os parâmetros do modelo matemático do conversor estático interferem no ajuste das funções de proteção, em especial das funções de proteção utilizadas contra ilhamentos. O estudo de proteção é realizado com base em uma usina de minigeração fotovoltaica que será implantada em uma unidade consumidora que já se encontra conectada a uma rede de distribuição em média tensão. De modo que as análises possam ser realizadas, é proposta uma metodologia de cálculo das correntes de falta, quando da presença de conversores estáticos, e apresentada a modelagem matemática detalhada, em coordenadas dq0, da malha de controle de corrente e da estrutura de sincronismo do conversor estático. Os resultados alcançados validaram a metodologia de cálculo das correntes de curto-circuito e indicaram que os parâmetros da malha de corrente do modelo matemático do conversor estático interferem significativamente na resposta do sistema diante de faltas e da estrutura de sincronismo no ajuste da proteção anti-ilhamento.

Abstract: With the expansion of distributed generation from renewable sources in the last decade, photovoltaic generation began to be present in energy distribution systems mainly through generating plants classified by current legislation as micro or minigeneration, whose power is limite to 3 MW by current ANEEL normative resolutions. With the insertion of photovoltaic generation and other sources that use power electronics interfaces in distribution networks, the need arose to use directional overcurrent protection and anti-islanding functions, which were previously not used in distribution systems, as there is now the possibility of bidirectional power flow between the system bars and the formation of islanding. Considering that protection studies for photovoltaic generators are not yet a consolidated topic in the literature, this dissertation deals with the protection study necessary for the connection of photovoltaic minigeneration plants to energy distribution systems, analyzing how the parameters of the mathematical model of the static converter interfere with the adjustment of protection functions, especially protection functions used against islanding. The protection study is carried out based on a photovoltaic minigeneration plant that will be implemented in a consumer unit that is already connected to a medium voltage distribution network. So that analyzes can be carried out, a methodology for calculating fault currents in the presence of static converters is proposed and detailed mathematical modeling is presented, in dq0 coordinates, of the current control loop and the synchronism structure of the static converter. The results achieved validated the methodology for calculating short-circuit currents and indicated that the current loop parameters of the mathematical model of the static converter significantly interfere with the system's response to faults and the synchronism structure in the adjustment of the anti-islanding protection.