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WILLIAN PAULINO BARATELI

AVALIAÇÃO DOS IMPACTOS DA INSERÇÃO MASSIVA DA GERAÇÃO SOLAR

FOTOVOLTAICA EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

ROSANA – SP

WILLIAN PAULINO BARATELI

AVALIAÇÃO DOS IMPACTOS DA INSERÇÃO MASSIVA DA GERAÇÃO SOLAR

FOTOVOLTAICA EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria do Curso de Engenharia de Energia do Campus Experimental de Rosana, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia de Energia. Orientador: Prof. Dr. Lucas Teles de Faria ROSANA – SP 2021

AGRADECIMENTOS

A Deus, pela minha vida, e por me permitir ultrapassar todos os obstáculos encontrados ao longo da realização deste trabalho, e durante a jornada na faculdade. A minha família que sempre me apoiaram e deram suporte para chegar até aqui, os puxões de orelha, mas que eram para o meu bem. A minha noiva pelo amor e carinho, que sempre esteve do meu lado durante a realização deste trabalho, me consolando nos momentos difíceis, e me ajudando a ser uma pessoa melhor. Agradeço à experiência adquirida durante o estágio e como funcionário da empresa ENGPONTAL. Essa experiência foi valiosa para a execução deste trabalho. A todos os colaboradores dela e de outras empresas que trabalhamos juntos na realização de algum serviço, que foram peças de extrema importância para todo aprendizado prático e teórico que adquiri e agregou muito para minha carreira profissional. Agradeço a todos os professores por me proporcionar o conhecimento não apenas racional, mas a manifestação do caráter e afetividade da educação no processo de formação profissional, por tanto que se dedicaram a mim, não somente por terem me ensinado, mas por terem me feito aprender. А palavra mestre, nunca fará justiça aos professores dedicados aos quais sem nominar terão os meus eternos agradecimentos.

RESUMO

A rede de distribuição de energia elétrica deve possuir um grau de qualidade que permita o funcionamento dos inversores dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede. Esses inversores são chamados de on-grid e monitoram a rede elétrica de forma que fornecem energia somente se a rede estiver presente e com seus níveis de tensão e frequência dentro dos limites de parâmetros dos inversores. Este trabalho apresenta um estudo de caso real realizado no distrito de Primavera Município de Rosana SP sobre como a qualidade da energia da rede de distribuição local impacta no mau funcionamento de inversores de energia solar fotovoltaica conectados à rede. Os sistemas fotovoltaicos deste estudo se desconectavam da rede várias vezes por ela estar com os limites de tensão fase-neutro acima dos parâmetros dos inversores devido à inserção de grande potência de GSF no mesmo ponto de conexão. Problema que foi solucionado alterando configuração de conexão dos inversores. PALAVRAS-CHAVE: Sistema Fotovoltaicos Conectados à Rede. Geração Distribuída. Qua- lidade de Energia. Inversores.

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE SIGLAS

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua DEC Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora DIC Duração de interrupção individual por unidade consumidora DICRI Duração da interrupção individual ocorrida em dia crítico por unidade con- sumidora DMIC Duração máxima de interrupção contínua por unidade consumidora DRC Duração relativa da transgressão de tensão crítica DRP Duração relativa da transgressão de tensão precária FEC Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora FIC Frequência de interrupção individual por unidade consumidora GD Geração Distribuída GSF Geração Solar Fotovoltaica kW Quilowatt kWh Quilowatt-hora MPPT Rastreador de Máximo Ponto de Potência MW Megawatt P&D Pesquisa e Desenvolvimento PCH Pequena Central Hidrelétrica QEE Qualidade de Energia Elétrica SFCR Solar Fotovoltaica Conectada à Rede THDi Distorção Harmônica Total da corrente elétrica THDv Distorção Harmônica Total da tensão elétrica W/m² Watts por metro quadrado

• Figura 1: Ilustração de uma Usina Heliotérmica.
• Figura 2: Insolação diária média anual do território brasileiro (horas).
• Figura 3: Aumento na Geração Distribuída.
• Figura 4: Célula de silício monocristalino e de silício policristalino.
• Figura 5: Ilustração sistema fotovoltaico off-grid.
• Figura 6: Ilustração sistema fotovoltaico on-grid.
• Figura 7: Influência da radiação solar no comportamento do módulo fotovoltaico.
• Figura 8: – Influência da temperatura no módulo fotovoltaico.
• Figura 9: Caixa de conexões com diodos by-pass.
• Figura 10: Local das Instalações no Distrito de Primavera.
• Figura 11: Vista dos inversores da entidade.
• Figura 12: Disposição dos Módulos Fotovoltaicos da entidade
• Figura 13: Vista frontal dos módulos fotovoltaicos da entidade.
• Figura 14: Vista lateral dos módulos da residência (telhado oeste).
• Figura 15: Vista frontal dos módulos da residência (telhado leste e oeste).
• Figura 16: Vista dos módulos da residência (telhado leste e oeste ao fundo e norte à frente).
• Figura 17: Vista dos módulos da residência de cima (telhado norte).
• Figura 18: Vista de um dos inversores da residência.
• Figura 19: Tensão de fase no inversor 3 da entidade.
• Figura 20: Tensão de linha no inversor 3 da entidade.
• Figura 21: Sistema da entidade 2020.
• Figura 22: Sistema da residência 2020.
• Figura 23: Sistema da entidade no pico de potência no dia.
• Figura 24: Sistema da residência pico de potência no dia.
• Figura 25: Sistema da entidade após correção.
• Figura 26: Sistema da residência após correção.
• 1 ESCOPO DO TRABALHO
• 1.1 CONTEXTO E JUSTIFICATIVA _____________________________________________
• 1.2 OBJETIVO _______________________________________________________________
• 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ___________________________________________
• LIMPAS E RENOVÁVEIS 2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA COM FONTES
• 2.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA __________________________________________________
• 2.1.1 Energia Solar Fotovoltaica
• 2.1.2 Energia Solar Térmica
• 2.1.3 Energia Eólica
• 2.1.4 Biomassa
• 2.1.5 Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH
• CONSUMIDOR E PARA A SOCIEDADE ______________________________________ 2.2 VANTAGENS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA PARA O SETOR ELÉTRICO, PARA O
• 2.2.1 Redução na Conta de Energia do Usuário
• 2.2.2 Sistema de Compensação de Energia
• 2.2.3 Redução das Perdas
• 2.2.4 Redução dos Impactos Ambientais
• 2.3 DESVANTAGENS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA PARA O SISTEMA ELÉTRICO ___
• 2.3.1 Flutuação da Geração
• 2.3.2 Distorções Harmônicas
• 2.3.3 Fluxo de Potência Reverso
• GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA ________________________________________ DISTRIBUIÇÃO QUE IMPACTAM DIRETAMENTE NO FUNCIONAMENTO DA
• 2.4.1 Afundamento de Tensão ou Subtensão
• 2.4.2 Elevação de Tensão ou Sobretensão
• 2.4.3 Distorções Harmônicas
• 3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
• 3.1 CONCEITOS SOBRE ENERGIA SOLAR ______________________________________
• 3.1.1 Radiação Solar
• 3.1.2 Irradiância
• 3.1.3 Insolação
• 3.1.4 Massa de Ar
• 3.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ______________________________________________
• FOTOVOLTAICA _________________________________________________________ 3.3 FATORES QUE INFLUENCIAM NA INTERMITÊNCIA DA GERAÇÃO SOLAR
• 3.3.1 Influência da Radiação Solar
• 3.3.2 Influência da Temperatura
• 3.3.3 Efeito de Sombreamento
• 4 QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA
• 4.1 INTRODUÇÃO____________________________________________________________
• 4.2 PRODIST ________________________________________________________________
• 4.3 QUALIDADE DO PRODUTO ________________________________________________
• 4.3.1 Indicadores de Conformidade do Nível de Tensão em Regime Permanente
• 4.4 QUALIDADE DO SERVIÇO_________________________________________________
• 4.4.1 Indicadores Coletivos de Continuidade
• 4.4.2 Indicadores Individuais de Continuidade
• SOBRE OS SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS 5 ANÁLISE DOS IMPACTOS DA QUALIDADE DE ENERGIA DEFICITÁRIA
• 5.1 INTRODUÇÃO____________________________________________________________
• 5.2 DESCRIÇÃO DAS INSTALAÇÕES FOTOVOLTAICAS __________________________
• 5.3 DESCRIÇÃO DAS INTERRUPÇÕES NA geração solar fotovoltaica _________________
• 5.4 SOLUÇÃO DOS PROBLEMAS DE DESCONEXÕES ____________________________
• 6 CONCLUSÕES
• 6.1 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ____________________________________
• 7 REFERÊNCIAS

1 ESCOPO DO TRABALHO

De acordo com REN21 (2016), hoje os sistemas solares fotovoltaicos são as prin- cipais fontes de energia para os sistemas de geração distribuída. Entre os anos de 2015 e início de 2016, a energia solar e a energia eólica combinadas corresponderam a cerca de 77% dos novos sistemas de geração distribuída no mundo inteiro (apud Naruto, 2017). No Brasil de 2019 para 2020 houve 137% de aumento na geração de energia elétrica com as GDs segundo o BEN (2021). Ao longo deste trabalho, será tratado como a qualidade da energia deficitária da rede de distribuição local impacta nos inversores de energia solar fotovoltaica conectados à rede. 1.1 CONTEXTO E JUSTIFICATIVA Geração distribuída (GD) é o termo dado à energia elétrica gerada no local de con- sumo ou próximo a ele, sendo válida para diversas fontes de energia renováveis como a energia solar, eólica e hídrica. Além de proporcionar maior eficiência energética, pois mitiga as perdas da trans- missão e distribuição, a GD possibilita aos consumidores diminuírem seus custos com energia elétrica, colaborando para a robustez da matriz elétrica. Essas vantagens incluem trazer maior segurança energética e contribuição para o uso de uma energia limpa e renovável. Na GD, a redução da necessidade de linhas de transmissão de energia e o caráter descentralizado do sistema fazem com que os custos e os impactos ambientais próprios da ge- ração convencional sejam evitados. Como desvantagem a inserção da GD no sistema elétrico principal modifica os parâmetros que já estavam estabelecidos e modelados para os procedi- mentos de operação e manutenção da rede convencional. A GD também pode ocasionar sobre- tensões e fluxos de potência reverso em locais onde a proteção não está ainda dimensionada na forma direcional adequada. Os tipos de GD são:

• Cogeradores;
• Geradores de emergência;
• Geradores para operação no horário de ponta;
• Energia solar fotovoltaica;
• Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCHs.

No capítulo 5 é feita a análise dos impactos da qualidade de energia deficitária sobre os sistemas solares fotovoltaicos reais e instalados em UCs residenciais e comerciais perten- centes ao distrito de Primavera, Rosana, SP. Em último, no capítulo 6 , têm-se as conclusões deste estudo.

2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA COM FONTES

LIMPAS E RENOVÁVEIS

Neste capítulo serão apresentados alguns aspectos introdutórios sobre a GD: defi- nição, como funciona, como são classificadas as fontes energéticas, suas vantagens e desvanta- gens, como a GD afeta a rede elétrica de distribuição e como ela é afetada pela rede elétrica no caso da inserção massiva da GSF. 2.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA A GD é considerada um novo modelo de produção de energia elétrica, gerada pelo agente no local do consumo ou próximo de onde a energia será consumida. É um meio de produção de energia elétrica a partir de pequenas centrais geradoras que utilizam fontes de energia renováveis, como energia solar fotovoltaica, por exemplo, energia eólica ou biomassa (ESCRICH, 2020). A produção fotovoltaica ocorre no Ambiente de Contratação Regulada, onde as unidades são conectadas à rede da distribuidora, que será a responsável por emitir desde os pareceres de acesso (permitindo que a Usina entre em operação), até os documentos de fatu- ramento (que irão informar os créditos gerados pela usina) (ESCRICH, 2020). No Brasil, a definição de GD é feita pelo Artigo 14º do Decreto Lei nº 5.163 de

Decreto nº 5.163 de 30 de julho de 2004 Regulamenta a comercialização de energia elétrica, o processo de outorga de conces- sões e de autorizações de geração de energia elétrica, e dá outras providências. Art. 14. Para os fins deste Decreto, considera-se geração distribuída a produ- ção de energia elétrica proveniente de empreendimentos de agentes concessionários, permissionários ou autorizados, incluindo aqueles tratados pelo art. 8o da Lei no 9.074, de 1995, conectados diretamente no sistema elétrico de distribuição do com- prador, exceto aquela proveniente de empreendimento: I - Hidrelétrico com capacidade instalada superior a 30 MW; e II - Termelétrico, inclusive de cogeração, com eficiência energética inferior a setenta e cinco por cento, conforme regulação da ANEEL, a ser estabelecida até de- zembro de 2004. Parágrafo único. Os empreendimentos termelétricos que utilizem biomassa ou resíduos de processo como combustível não estarão limitados ao percentual de eficiência energética prevista no inciso II do caput.

2.1.2 Energia Solar Térmica A energia solar é captada através de painéis solares térmicos, também chamados de coletores solares. São os sistemas mais simples, econômicos e conhecidos de aproveitar o sol, sendo utilizados em casas, hotéis e empresas para o aquecimento de água para chuveiros ou piscinas, aquecimentos de ambientes ou até em processos industriais. Os painéis são simples e têm a função de transferir o calor da radiação solar para a água ou óleo que passa por dentro deles para então ser utilizado como fonte de calor. 2.1.3 Energia Eólica A Energia eólica é a transformação da energia do vento em energia útil. Exemplos:

• Aerogeradores: Para produzir eletricidade (a partir do século XIX);
• Moinhos de vento: Para produzir energia mecânica (moagem de grãos, bomba para irrigação, etc.) ou velas para impulsionar veleiros. Até o século XIX, todos os moinhos de vento produziam somente energia mecânica. Com o advento da eletricidade, os engenheiros rapidamente perceberam que os moinhos de vento podiam ser usados como geradores elétricos e que a potência gerada poderia ser usada para iluminação e aquecimento Oliveira (2013). 2.1.4 Biomassa Biocombustível: substância derivada de biomassa renovável, tal como biodiesel, etanol e outras substâncias estabelecidas em regulamento da ANP, que pode ser empregada diretamente ou mediante alterações em motores a combustão interna ou para outro tipo de ge- ração de energia, podendo substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil Brasil (2020). Biomassa (matéria orgânica) de origem vegetal ou compostos de origem animal. As fontes mais conhecidas são cana-de-açúcar, milho, soja, semente de girassol, madeira, resíduos. A partir dessas fontes é possível produzir biocombustíveis como etanol e biodiesel. Os gases gerados na queima do biocombustível são absorvidos no crescimento da safra seguinte, assim há um equilíbrio entre a emissão e a absorção de poluentes. Além disso, os biocombustíveis que contêm oxigênio em sua composição, ajudam a reduzir as emissões de monóxido de car- bono (CO) quando adicionados aos combustíveis fósseis. O cultivo da biomassa como fonte energética tem uma grande importância para a matriz energética, um fator é a sua sazonalidade, que contribui ao reforço da diversificação energética no país. O período de safra da biomassa é complementar ao período de baixa

capacidade hídrica das grandes hidrelétricas, nas quais o período seco (de maio a outubro) é compensado pelo período da safra da biomassa de cana, por exemplo. 2.1.5 Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH As pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) são usinas hidrelétricas menores em ta- manho e em potência, conforme classificação da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) de 1997. A ANEEL estabelece todas as normas que regem as PCHs no Brasil. Tais usinas usam a força e a pressão da água para gerar energia, devem ter entre 5 e 30 megawatts de potência (quantidade de energia gerada por hora de funcionamento com a usina operando com capacidade máxima) e menos de 13 km² em área total de reservatório. 2.2 VANTAGENS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA PARA O SETOR ELÉTRICO, PARA O CONSUMIDOR E PARA A SOCIEDADE A GD traz inúmeros benefícios para o setor elétrico e para a sociedade. Além de reduzir a necessidade de linhas de transmissão e a sobrecarga do sistema elétrico, pois a geração está próxima a carga, também ameniza impactos ambientais e fortalece as fontes de energia renováveis, diversificando a matriz energética. 2.2.1 Redução na Conta de Energia do Usuário Na GD existe a possibilidade de redução parcial dos custos do gasto energético. O consumidor torna-se mais independente da energia fornecida pela distribuidora e pode pagar apenas o custo mínimo obrigatório da fatura de energia, denominado de “Custo de Disponibi- lidade”, e que inclui as despesas para disponibilizar energia mesmo quando o consumidor não a utiliza. 2.2.2 Sistema de Compensação de Energia Na GD quando a quantidade de energia gerada em determinado mês for superior à energia consumida naquele período, o consumidor fica com créditos que podem ser utilizados para diminuir a fatura dos meses seguintes. Esses créditos têm validade de 60 meses, e podem ser usados para abater o consumo de UCs do mesmo titular situadas em outro local, que sejam atendidos pela mesma distribuidora. Essa utilização dos créditos é denominada “autoconsumo remoto”.

Segundo Naruto (2017), a presença de distorções harmônicas compromete a quali- dade da energia e pode provocar diversos impactos negativos como o aparecimento de tensões ressonantes, vibrações em máquinas rotativas ocasionando desgaste, superaquecimento, perda de rendimento e da vida útil, erros na medição das grandezas elétricas e inadequação do sistema de proteção, além dos distúrbios de compatibilidade eletromagnética, superaquecimento dos bancos de capacitores devido aos efeitos de ressonância, sobrecarga nos condutores de neutro e danos em equipamentos conectados fase-neutro. 2.3.3 Fluxo de Potência Reverso O sistema elétrico convencional foi projetado e implementado para um fluxo de potência unidirecional proveniente das grandes usinas de geração, passando pelos sistemas de transmissão e pela rede de distribuição que é, então, enraizado para os centros de consumo por meio das subestações. Por toda a extensão desse complexo sistema elétrico, existe um conjunto de proteções dimensionado, coordenado e redundante a fim de garantir a segurança elétrica da rede e assegurar a confiabilidade e estabilidade do sistema no fornecimento de energia de qua- lidade aos centros de carga conectados Naruto (2017). Entretanto, a interligação de outros sistemas de geração próximos aos consumidores e de maneira cada vez mais expansiva pode acarretar fluxos de potência em direções contrárias às projetadas para os sistemas de proteção usual, interferindo na sua funcionalidade e colocando em riscos os equipamentos conectados à rede e os atendidos nos próprios centros consumidores Naruto (2017). 2.4 DEFICIÊNCIAS DA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA DA REDE DE DIS- TRIBUIÇÃO QUE IMPACTAM DIRETAMENTE NO FUNCIONAMENTO DA GE- RAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA Segundo Junior (2010) a falta de atendimento a certos parâmetros de qualidade da energia no ponto de conexão de sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCRs) pode levar o inversor a rejeitar a rede elétrica, impedindo a geração de energia pelo sistema fotovoltaico. Distúrbios são uma série de fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica, que vão desde problemas na continuidade do fornecimento; níveis de tensão; oscilações de ten- são e de frequência e distorções harmônicas na tensão e na corrente.

2.4.1 Afundamento de Tensão ou Subtensão Em redes rurais ou nas redes residenciais que ficam mais afastadas dos transforma- dores de distribuição “Fins de rede”, a tensão fica mais de 5% abaixo do valor nominal e em alguns casos ocorrem afundamentos na tensão quando cargas pesadas entram em operação e fazem os inversores se desconectarem da rede se o nível de tensão ficar abaixo do limite que está configurado em seus parâmetros, mesmo que seja por um curto período de tempo. 2.4.2 Elevação de Tensão ou Sobretensão A sobretensão pode ser transitória ou permanente e trata-se de uma elevação brusca na tensão do sistema elétrico, que ultrapassa os limites mencionados na resolução nº 395, da ANEEL, que regula os parâmetros de fornecimento de energia e diz que para tensões nominais de 220/127 V a tensão de leitura para estar adequada deve estar entre 202 e 231 V, e entre 117 e 133 V. O primeiro tipo é de curta duração (da ordem de microssegundos) e pode ser provocado por descargas atmosféricas ou por manobras na rede. Já a sobretensão permanente é de longa duração e consequência de grandes manobras e avarias na rede de distribuição por conta de queda de árvores, ventanias e outros Prodist (2021). Os inversores se desconectam da rede se a tensão estiver maior do que o limite estabelecido em seus parâmetros, isso acontece geralmente em locais próximos aos transforma- dores de distribuição, instalação com cabos mal dimensionados para a potência do sistema, grandes sistemas de geração fotovoltaica, potência de geração muito maior que a carga. 2.4.3 Distorções Harmônicas Distorção harmônica é um fenômeno gerado por dispositivos não lineares. Isto sig- nifica que variam a relação entre sua corrente e sua tensão por conta da variação irregular das diferentes reatâncias, tanto capacitivas, quanto indutivas de um circuito. Este fenômeno permite que harmônicos das frequências fundamentais, existentes nos sinais de entrada dos dispositivos, sejam criados dentro do próprio circuito. As instalações com alta potência de curto-circuito, por possuírem baixa impedância, apresentam baixa Distorção Harmônica Total da tensão elétrica (THDv) (JUNIOR, 2010). Po- rém, se houver a presença de muitas cargas não lineares, a Distorção Harmônica Total da cor- rente elétrica (THDi) será elevada, podendo inclusive impedir a conexão dos inversores, sendo que os mesmos rejeitam a rede elétrica, acusando falha no lado de corrente alternada (CA).