Medição de harmônicos na usina fotovoltaica do Estádio Mineirão

O estudo descrito neste artigo, realizado na usina solar instalada na cobertura do estádio, verificou a atenuação dos harmônicos de corrente decorrente da agregação de múltiplos inversores na mesma barra. Foram realizadas medições em vários pontos estratégicos, analisando-se as amplitudes de harmônicos em cada ponto e a injeção de correntes harmônicas na rede da Cemig, a qual foi então comparada com os limites estabelecidos pelas normas.


Alcy Monteiro Júnior, da UFT - Universidade Federal do Tocantins; Márcio Melquíades Silva, do Cefet-MG - Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais; Manuel Losada y Gonzalez e Eduardo Nohme Cardoso, da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais.

Data: 31/03/2017

Edição: EM Fevereiro 2017 - Ano 45 - No 515

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Fig. 1 – A USF Mineirão: grande número de inversores de baixa potência, que podem injetar correntes desequilibradas, e sombreamento seletivo de painéis ao longo do dia

Umas das concessionárias de distribuição para conexão de geradores distribuídos às suas redes possuem vários pontos em comum, pois geralmente têm origem em prescrições de comitês internacionais, como o IEEE - Institute of Electrical and Elec- tronic Engineers e a IEC - International Electrotechnical Commission. Três do- cumentos são de particular interesse para o estudo: IEEE 519:2014 [2], IEC 61727 [3] e o módulo 8 do Prodist [1].

A recomendação IEEE 519:2014 estabelece limites de tensão e corrente, em regime permanente, para sistemas de 120 V a 69 kV, exclusivamente no PAC - ponto de acoplamento comum. Os valores de distorção harmônica total de tensão (DHTv) estão mostrados na tabela I. Quanto às distorções de corrente, elas são avaliadas nessa norma através da distorção de demanda total (DDT), expressas como uma percentagem da corrente de máxima demanda. Os limites para distorção total de corrente (DHTi) estão na tabela II.

A norma IEC 61727 estabelece requisitos para interconexão à rede pública de sistemas fotovoltaicos operando em paralelo e utilizando inversores estáticos com anti-ilhamento. Segundo a norma, a DHTi na saída do sistema tem de ser inferior a 5%, e cada ordem harmônica está limitada aos percentuais da tabela III.

O módulo 8 do Prodist define a terminologia, caracteriza os fenômenos, parâmetros e valores de referência relativos à conformidade de tensão em regime permanente e às perturbações na forma de onda de tensão. Determina o limite de DHTv no barramento, no intervalo de 1 kV < V ≤ 69 kV, em até 8% da fundamental.

O Estádio Mineirão e sua usina fotovoltaica

Inaugurado em 1965, o Estádio Magalhães Pinto está localizado na região da Pampulha, em Belo Horizonte, e possui capacidade de público de 58 170 pessoas. Como se integra ao conjunto arquitetônico da Pampulha, sua fachada é tombada pelo Conselho do Patrimônio Histórico de Belo Horizonte. Escolhido para ser uma das sedes da Copa do Mundo Fifa 2014, sofreu uma ampla reforma, que incluiu uma usina solar fotovoltaica (USF Mineirão) na cobertura.

O estádio tem formato oval, com cobertura de concreto dividida em 88 áreas distintas, denominadas segmentos, separadas por vigas invertidas. A figura 1 mostra uma vista aérea.

Nesses segmentos foram instalados módulos fotovoltaicos formando várias strings. Devido às restrições para interferências na fachada do estádio (tombamento), os painéis não puderam ser elevados, pois isso os tornaria visíveis a um observador externo. Assim, na posição instalada, os painéis ficaram sujeitos a sombreamentos durante algumas horas do dia.

As dimensões dos 88 segmentos não são idênticas. No projeto da USF, eles foram classificados em dois grupos — 42 “segmentos maiores” e 46 “segmentos menores” —, organizados em oito conjuntos de segmentos.

A arquitetura da cobertura apresenta condições complexas para a geração fotovoltaica, tanto em termos de área disponível para instalação dos painéis quanto da ocorrência de sombreamento provocado pelas peças estruturais da construção em diversos horários, além do reduzido espaço para instalação de infraestrutura técnica. Os desafios encontrados durante o projeto da USF foram: 1) obter um design eficiente e otimizado; 2) construir e operar a USF com capacidade mínima de 1,35 MWp, constituída de arranjos circulares nas lajes da cobertura; 3) considerar diversos arranjos de painéis com diferentes orientações; 4) manter a arquitetura original e a aparência visual do estádio.

Fig. 2 – Esquema das salas de inversores da USF Mineirão (adaptado de [4])

Fig. 3 – SE de conexão, interligada via alimentador preferencial (adaptação de [5])

A USF possui 5910 módulos de silício policristalino de 240 Wp cada, sendo a potência instalada total de 1,42 MWp. Devido às condições de sombreamento a que os painéis estão sujeitos, as strings foram arranjadas de dois modos:

Fig. 4 – Ligação de transformador de acoplamento (adaptado de [6])

Inversores fotovoltaicos

Optou-se por utilizar inversores do tipo string, ou seja, de pequena potência, normalmente empregados em instalações comerciais de menor porte. Cada segmento possui um inversor, sendo ao todo 88 inversores [4]. Essa concepção visou maximizar o aproveitamento da energia solar, pois a associação de um grande número de módulos em grandes strings, conectados a inversores de elevada capacidade, implicaria uma limitação da potência máxima gerada em painéis sombreados.

Os inversores, modelo Ingecon Sun Smart 15 TL, fabricados pela Inge - team, têm as seguintes características básicas:

Fig. 5 – Pontos de medição(1), SE Sul (2), SESTI-2 (4), Inversor nosimultânea: SE de conexão Norte (3), Sala Técnica de Inversores 10 (5) e Inversor no 11 (6)

Um ponto que merece destaque refere-se ao modo de operação desequilibrada dos inversores, pelo fato destes possuírem três MPPTs independentes, sendo um para cada arranjo (fase). Sendo assim, o inversor consegue injetar potências diferentes em cada uma das fases, permitindo trabalhar com a máxima potência disponível em cada arranjo.

Como na USF tem-se uma associação relativamente elevada de inversores que individualmente operam em desequilíbrio, buscou-se um balanceamento de fases, de modo que a USF opere razoavelmente equilibrada.

Salas técnicas de inversores e subestações elevadoras

Existem oito salas técnicas de inversores (STIs), uma para cada conjunto de segmentos, com 11 inversores em cada sala. A figura 2 apresenta a disposição dos oito conjuntos: os em azul são os “segmentos menores” (25,5 x 4,0 m2) e os em verde, os “segmentos maiores” (25,5 x 6,0 m2).

As STIs são conectadas a duas subestações elevadoras, denominadas SE Norte e SE Sul, que elevam a tensão de 380 V, de saída dos inversores, para 13,8 kV, nível da rede da Cemig. Cada SE tem um transformador de 750 kVA e conecta-se a quatro STIs. O esquema da figura 2 também mostra a disposição das STIs e SEs.

Fig. 6 – Detalhe da medição na SE de conexão

SE de conexão à rede da concessionária

O estádio é alimentado por duas linhas subterrâneas exclusivas em 13,8 kV, a partir das SEs Maracanã e Pampulha (ramais expressos) da Cemig. A primeira linha é a responsável pela alimentação principal, enquanto a segunda fica como reserva para o caso de falha da primeira. Há um barramento de comutação dessas duas linhas na SE de conexão do estádio com a rede. Esta SE tem duas saídas de energia, uma para o próprio estádio e outra para a USF. A figura 3 mostra as conexões das duas linhas à SE Conexão e desta às SEs Norte e Sul.

Transformadores de aterramento

Em sistemas de micro e minigeração de energia elétrica, o acessante produtor de energia deve disponibilizar ao sistema público de distribuição uma referência de terra, no transformador, no lado da concessionária. Assim, no caso de uma falta, como um curto-circuito faseterra, podem-se evitar sobretensões nas fases não faltosas.

O transformador, pelo lado da geração, deve ter ligação em delta para impedir a propagação de componentes de sequência zero. Para atender a este requisito, são utilizados transformadores de acoplamento ligados conforme mostrado na figura 4 [6]. Os transformadores de 750 kVA das SEs Norte e Sul foram adquiridos com conexões trifásicas em estrela aterrada, nos lados de 13,8 kV (rede), e triângulo no lado de 380 V (geração). Entretanto, para o funcionamento dos inversores da USF, foi necessária a existência de um neutro aterrado também do lado dos inversores, já que estes são a quatro fios. A opção do projeto foi pela utilização de dois transformadores “zig-zag” de 75 kVA, em paralelo (figura 4-b), totalizando 150 kVA em cada subestação no lado de 380 V. O transformador “zig-zag” é uma reatância de alta impedância para a sequência positiva e negativa. Entretanto, caso haja desequilíbrios, faltas, harmônicos com sequência zero, apresenta-se como um caminho de baixa impedância para as componentes de sequência zero [7].

Fig. 7 – Distorção harmônica no inversor no 10: tensão (A) e corrente (B)

Medições - locais, medidores e período considerado

Para uma análise detalhada da propagação harmônica na USF Mineirão, diversos pontos foram escolhidos para medição simultânea. Tais pontos são descritos abaixo e ilustrados na figura 5.

Sala técnica de inversores 2 (STI-2) – Nesta sala, ligada à SE Sul, mediu-se a saída senoidal do inversor equilibrado no 11 (mesmo número de módulos fotovoltaicos por arranjo-fase), do inversor desequilibrado no 10 (número de módulos diferentes nos arranjos) e do quadro de baixa tensão que recebe a energia dos 11 inversores.

SEs Norte e Sul – Em cada uma das duas SEs, foi instalado um medidor no quadro geral de baixa tensão (QGBT), que possibilitou a medição agregada da energia fornecida por todas as quatro salas de inversores de cada subestação.

SE de conexão com a rede – Como a tensão da rede é 13,8 kV, nessa SE o analisador de qualidade foi instalado junto à medição de faturamento da USF Mineirão (medidor de fronteira), aproveitando o TC e o TP desse sistema de medição (figura 6).

Foram utilizadas ao todo seis unidades do analisador digital de qualidade de energia Fluke 435 - Série II, cujas caraterísticas são: classe de exatidão de 0,1% para tensão e de 0,5% para corrente, 500 amostras por ciclo e conversor analógico/digital de 16 bits. Em todos os pontos, foram registradas potência ativa, reativa e aparente, tensão, corrente, fator de potência, distorção harmônica total de tensão (DHTv), distorção harmônica total de corrente (DHTi), módulos e ângulos de harmônicos de tensão e corrente (ímpares até 49a ordem e pares até a 14a ordem). Este equipamento atende todos os requisitos do módulo 8 do Prodist e das normas IEC 61000-4-7:2002 [8], IEC 61000-4-30:2003 [9] e IEEE 519:2014 [2].

O monitoramento da USF Mineirão foi iniciado em maio de 2014 mas os dados apresentados neste artigo correspondem ao mês de outubro daquele ano.

Fig. 8 – Harmônicos na sala STI-2: tensão (A) e corrente (B)

Análise da propagação harmônica

Analisando as medições na interligação da USF Mineirão com a rede da Cemig em um dia sem sombreamento, percebeu-se um aumento na DHTv quando a usina começa a injetar potência na rede. Em períodos sem geração na usina, os valores de DHTi ficaram elevados devido à corrente fundamental da usina ser extremamente baixa. Quando o valor da corrente aumenta, esses valores diminuem e ficam dentro dos limites. Portanto, a distorção durante o período em que não há injeção de potência na rede foi excluída das medições para garantir uma maior confiabilidade da análise.

Medições em inversores na sala técnica STI-2

A escolha dos inversores para monitoração na STI-2 obedeceu a uma estratégia: o inversor no 10 está ligado a um segmento composto por 75 módulos fotovoltaicos, com potência de 5,76 kWp nas fases B e C e 6,48 kWp na fase A. Já o inversor no 11 é ligado a um segmento de 60 módulos, equilibrado, com potência de 4,8 kWp por fase.

Fig. 9 – Harmônicos na SE Sul: tensão (A) e corrente (B)

A figura 7 mostra DHTv, DHTi e harmônicos individuais de tensão e corrente (h) no inversor 10, caso de maior severidade. A DHTi ficou dentro do informado pelo fabricante, ou seja, inferior a 3%. Os harmônicos de tensão mais significativos medidos na entrada do inversor foram o 5o, o 3o e o 7o, nessa ordem. Já a distorção de corrente apresentou a 3a harmônica com valores bem elevados, acompanhada pelas 2a, 5a e 7a harmônicas. As demais mostraram valores abaixo de 0,5%.

Medições no QGBT da STI-2

A STI-2 está conectada à subestação Sul e ligada a 11 inversores. Foi escolhida para monitoramento por possuir inversores equilibrados e desequilibrados. A figura 8 apresenta os harmônicos individuais de corrente, tensão, DHTv e DHTi medidos no quadro geral de BT dessa sala. Percebe-se uma redução de 17,5% da DHTi e 3,05% na DHTv, em comparação com os valores medidos em um único inversor, mostrados na figura 7.

Fig. 10 – Comparativo dos harmônicos da STI-2 e SE Sul: tensão (A) e corrente (B)

Subestações elevadoras

As SEs Sul e Norte são pontos de grande importância para o monitoramento de harmônicos, pois a cada uma estão conectados 44 inversores, sendo 23 deles em segmentos equilibrados e 21 em segmentos desequilibrados. Cada SE está ligada a quatro salas técnicas de inversores, sendo uma equilibrada e três com inversores equilibrados e desequilibrados no mesmo barramento.

Fig. 11 – Harmônicos na interligação da USF e CEMIG-D: tensão (A) e corrente (B)

As medições das distorções harmônicas foram realizadas no lado da baixa tensão dos transformadores das duas SEs, onde ainda não há influência da ligação do transformador (triângulo) nos harmônicos de sequência zero. A figura 9 mostra os resultados na SE Sul. Verificou-se atenuação de aproximadamente 10,2% na DHTv e de consideráveis 52,9% na DHTi, em comparação com os valores da STI-2 (vide figura 10). As harmônicas de 5a e 7a ordem foram as únicas que não tiveram atenuação na tensão. Não houve redução significativa nas correntes harmônicas de 5a, 7a, 11a e 13a ordens, ou seja, das ordens 6k±1 (k = constante que pode assumir valores 1 a n).

As harmônicas de ordem 3 e suas múltiplas não chegam ao transformador elevador, e circulam pelo transformador de aterramento (“zig-zag”). A medição foi realizada na conexão entre os transformadores, refletindo nos valores medidos de 3a harmônica de corrente (que, em relação à STI-2, teve redução de 84,76%) e na DHTi (redução de 52,9%, como já vimos).

Fig. 12 – Comparativo dos harmônicos das SEs Sul e de conexão: tensão (A) e corrente (B)

Interligação USF Mineirão/Cemig

A interligação da USF Mineirão com a rede da Cemig é o ponto onde se podem avaliar as correntes harmônicas efetivamente injetadas no PAC e, por isto, permite a comparação de seus valores com os limites estabelecidos nas normas e regulamentos. A figura 11 mostra as distorções encontradas, com potência nominal.

Comparando a SE Sul com a interligação, percebe-se redução de 13,15% na DHTv e de 3,54% na DHTi (figura 12).

É evidente a redução das tensões harmônicas múltiplas de três, como a 3a, que diminuiu 81,2%, devido à conexão em delta dos transformadores das SEs da USF Mineirão. Já a 5a e 7a ordens não sofreram redução considerável. Pelas aná-lises realizadas sem geração na USF, é possível afirmar que a maior parte dos harmônicos de 5a ordem é preexistente na rede.

A figura 13 apresenta a DHTv e DHTi nos seis pontos monitorados da USF Mineirão.

Fig. 13 - DHT dos seis pontos monitorados na USF Mineirão: tensão (A) e corrente (B)

Conclusões

Analisando as medições, verifica-se uma atenuação harmônica a cada ponto monitorado da USF Mineirão com o aumento do número de inversores agregados. A atenuação da DHTv foi de 24,4% e da DHTi foi de 65,3% na SE de conexão, em relação à taxa de distorção harmônica medida na saída de um único inversor.

Pela análise da DHTi e dos valores das ordens harmônicas individuais, tendo como parâmetros a recomendação da IEEE-519:2014, o Prodist - Módulo 8 e a norma ABNT NBR 16149:2013, foi possível concluir que a USF Mineirão não é uma fonte importante de harmônicos e está injetando distorções de corrente abaixo dos limites permitidos.

Referências

  1. Aneel - Agência Nacional de Energia Elétrica: Prodist - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – Módulo 8 – Qualidade da Energia Elétrica, 2009.
  2. IEEE Std. 519 – Recommend practices and requirements for harmonic control in electric power systems, 2014.
  3. IEC 61727, Ed. 2 – Photovoltaic (PV) systems – Characteristics of the utilit y interface. Dezembro, 2004.
  4. Mar tifer Solar: Usina solar fotovoltaica USF Mineirão. Belo Horizonte - MG, 2013.
  5. Cemig D: Informação de acesso para conexão da Usina Solar Fotovoltaica Mineirão ao sistema elétrico de média tensão da Cemig D. Belo Horizonte - MG, 2011.
  6. Cemig: ND-5.31 – Requisitos para a conexão de acessantes produtores de energia elétrica ao sistema de distribuição Cemig – Conexão em média tensão. Belo Horizonte, 2011.
  7. Monteiro Júnior, A.: Modelagem da usina fotovoltaica do Estádio do Mineirão para estudos de propagação harmônica – Disser tação de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG. Disponível em http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9UNHW6.
  8. IEC 61000-4-7:2002 – Electromagnetic compatibilit y (EMC) – Par t 4-7: Testing and measurement techniques – General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto.
  9. IEC 61000-4-30 – Electromagnetic compatibilit y (EMC) - Part 4-30:Testing and measurement techniques – Power quality measurement methods. First edition, 2003.
Trabalho apresentado no 16o Enie – Encontro Nacional de Instalações Elétricas (agosto de 2016, São Paulo). A versão aqui publicada é uma adaptação/resumo do artigo original, realizada pela Redação de EM.