Impactos da alta penetração fotovoltaica na rede elétrica em relação à qualidade de energia

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à qualidade de energia
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ARTIGO DE REVISÃO
DANTAS, Ozlean De Lima [1], APOLONIO, Roberto [2]
DANTAS, Ozlean De Lima. APOLONIO, Roberto. Impactos da alta penetração fotovoltaica na
rede elétrica em relação à qualidade de energia. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do
Conhecimento. Ano 04, Ed. 07, Vol. 11, pp. 166-177. Julho de 2019. ISSN: 2448-0959
Contents
RESUMO
1. INTRODUÇÃO
2. MATERIAIS E MÉTODOS
3. RESULTADOS/DISCUSSÕES
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
5. REFERÊNCIAS
RESUMO
Este artigo tem por objetivo identificar, através de uma revisão sistemática da literatura, os
impactos da alta penetração fotovoltaica na rede distribuição de energia no que se refere a
qualidade de energia, bem como as medidas mitigadoras de seus impactos. A metodologia
consistiu de uma revisão sistemática, com a pesquisa de estudos primários relacionados aos
impactos da geração fotovoltaica na geração distribuída, delimitando-se a publicações entre
2012 e 2017, nas bases de dados nacionais e internacionais. As plataformas de busca foram
a Biblioteca Digital da Universidade de São de Paulo (USP), Biblioteca Digital da Universidade
Federal de Minas Gerais (UFMG), IEEE Xplore Digital Library (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) e ScienceDirect. Os resultados destacaram a regulação de tensão,
distorção harmônica, ilhamento e alteração no fator de potência como os impactos mais
relevantes, e a maioria dos autores abordaram os problemas de regulação de tensão como o
impacto mais característico na alta penetração fotovoltaica. As medidas mitigadoras mais
citadas para regulação de tensão, foram o controle de potência ativa e reativa através do
inversor do sistema fotovoltaico, recondutoramento, comutação de tape do transformador,
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armazenamento de energia via baterias, instalação de banco de capacitores, instalação de
compensador estático de tensão e regulador de tensão. Esta pesquisa destaca problemas já
conhecidos de outras instalações nas redes de distribuição, contribui positivamente na busca
por soluções técnicas comprovadas que orientam as distribuidoras de energia nos estudos e
no planejamento da inserção de novos empreendimentos de geração fotovoltaica.
Palavras Chave: sistema fotovoltaico conectado à rede, fontes renováveis, redes de
distribuição de energia elétrica.
1. INTRODUÇÃO
O mercado mundial de energia fotovoltaica tem evoluído consideravelmente e a sua
capacidade instalada acumulada total teve um aumento de 303 GW em 2016, quebrando
novamente vários recordes e elevando sua expansão global (IEA PVPS, 2017). Houve em
2016 um aumento de pelo menos 75 GW na capacidade instalada anual, o que representa
um crescimento de 50% em relação a 2015. Após um desenvolvimento limitado em 2014 e
um crescimento de 25% em 2015, o mercado continuou crescendo, com muitas regiões do
mundo contribuindo para o desenvolvimento da energia fotovoltaica.
Este rápido crescimento tem sido impulsionado principalmente por países como China, EUA,
Japão e Índia. Estes países tiveram as maiores participações na capacidade instalada anual
em 2016, de 34,5 GW, 14,7 GW, 8,6 GW e 4,0 GW, respectivamente (IEA PVPS, 2017).
Esta expansão tem favorecido a competividade crescente da energia solar fotovoltaica e os
preços de leilões desta energia tem ficado com valores abaixo de 50 US$/MWh em 2016, com
destaque para os países: EUA, México, Peru, Chile, Arábia Saudita e Emirados Árabes Unidos,
conforme Tabela 1 (IRENA, 2017).
Vale destacar, que na América do Sul o Chile cresceu rapidamente no setor de energia
fotovoltaica, acrescentando 746 MW na sua capacidade instalada e ocupando a décima
posição mundial com maior acréscimo em capacidade instalada anual em 2016 (IEA PVPS,
2017). Isto é consequência da política chilena dedicada a investimentos no setor de energia
fotovoltaica nos últimos anos, com transferência de tecnologia americana e expansão da
indústria fotovoltaica. Com isso, os preços dos equipamentos e da energia gerada têm caído
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expressivamente. No leilão realizado em 2016 o preço da energia chegou a 37,4 US$/MWh
para uma potência ofertada de 300 MW. Um preço relativamente baixo se comparado, no
mesmo período, ao preço do leilão realizado na Alemanha que investe a mais tempo neste
setor e foi de 70,1 US$/MWh para uma potência ofertada de 200MW.
No Brasil, o último leilão realizado foi em 2015, quando contratou 1.115 MW de energia solar
fotovoltaica ao preço médio de 297,75 R$/MWh ou 78 US$/MWh em valores convertidos à
época (BRASIL, 2017a). Os leilões ofertados em 2016 foram apenas para Biomassa ao preço
de 66,4 US$/MWh e potência ofertada de 198 MW e hídrica ao preço de 56,7 US$/MWh e
potência ofertada de 505 MW. Cabe apresentar, que foi cancelado o 2º Leilão de Energia
Reserva que incluía a energia fotovoltaica programado para dezembro de 2016. O motivo do
cancelamento, segundo o secretário do Ministério de Minas Energia à época foi devido a
previsão de queda de demanda de energia para 2016 e 2017 (MME, 2016).
Tabela 1 – Preço dos Leilões de Energia em 2016 (US$/MWh) e as respectivas potências
ofertadas
País Eólica Solar Hídrica Biomassa
Alemanha – (70,1) 200MW – –
Argentina (53,3) 766MW (54,9) 518MW – (118,0) 1,2MW
Brasil – – (56,7) 505MW (66,4) 198MW
Canadá (66,9) 299,5MW (120) 140MW (137,5) 15,5MW –
Chile (45,3) 1500MW (37,8) 300MW – –
China – (77,9) 1000MW – –
Dinamarca (60,4) 950MW – – –
Emirados árabes – (24,2) 1170MW – –
EUA – (37,0) 26MW – –
Holanda (68,9) 1400MW – – –
Índia (71,4) 6800MW – – –
Marrocos (30,0) 850MW (60,0) 170MW – –
México (35,8) 1038MW (31,8) 1853MW – –
Peru (37,7) 162MW (48,1) 184,5MW (43,8) 80MW (77,0) 4MW
Zâmbia – (67,4) 73MW – –
Nota: Alguns países não declararam os preços dos leilões de energia ou não houveram leilões
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neste período, como no caso do Brasil onde não houve leilões de energia eólica e solar em
2016. Fonte: Adaptado de IRENA, 2017.
No contexto nacional, as políticas públicas de regulamentação de fontes renováveis têm
avançado com o advento da Resolução Normativa da ANEEL n.º 482 de 2012 (BRASIL, 2012)
e sua posterior atualização pela Resolução n.º 687 de 2015 (BRASIL, 2015), onde ficou
instituído o sistema por compensação de energia da geração distribuída[3] de fontes
renováveis através de créditos de energia.
Esta resolução foi um marco histórico para a inclusão de fontes renováveis para geração de
eletricidade na matriz elétrica brasileira, uma vez que fomenta a micro geração e a mini
geração. Desta maneira, o consumidor, pessoa física ou jurídica, pode produzir a sua própria
energia elétrica e o excedente gerado será compensado na sua fatura de energia elétrica.
Após a publicação destas resoluções, verifica-se no país um lento crescimento da micro
geração e da mini geração fotovoltaica do número de conexões e consumidores com crédito,
com aceleração a partir de 2016, ver Figura 1.
Figura 1 – Número de micro e mini geração conectadas à rede de 2012 a 2017.
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Fonte: Brasil, 2017b.
De acordo com dados de outorga e registros de geração distribuída da ANEEL (BRASIL,
2017a), a geração distribuída fotovoltaica seguiu crescendo e em novembro de 2017
atingindo 17.180 unidades consumidoras com potência instalada de 141MW. Consoante a
isso, a Nota Técnica n.º 0056/2017 da ANEEL (BRASIL, 2017b), estima para um horizonte de
2017 a 2024 um crescimento da potência instalada de 102 MW para 3.204 MW para os
consumidores residenciais e comerciais de micro geração distribuída.
Neste quadro de expansão, vale atentar-se aos sérios impactos verificados na alta
penetração de energia fotovoltaica conectada à rede de distribuição de energia em relação a
qualidade da energia. Esta problemática tem sido tema de vários estudos conduzidos em
diversos países europeus, como na Alemanha, Espanha e Itália e a busca por soluções viáveis
economicamente tem se mostrado um desafio.
Segundo Souza et al. (2014), esclarecem que a inserção de micro geração distribuída via
fonte solar, implica na elevação do valor da tensão no ponto de conexão e nas proximidades
destas as unidades com geração. Pois isto altera o formato do sistema elétrico, ora planejado
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para operar de forma radial, passando a trabalhar em anel. Há também alteração do sentido
de fluxo de potência que antes era no sentido concessionária/consumidor e agora com a
geração distribuída passa a operar em ambos sentidos. Para as alternativas de mitigação dos
impactos de violação dos níveis da tensão no ponto de conexão, foram identificadas as
seguintes soluções: ajuste na tensão do alimentador, recondutoramento, divisão do circuito,
transformador de distribuição com comutação de tapes, atuação dos inversores através do
controle do fator de potência e comandos remotos pela distribuidora.
Karimi et al. (2015), destacam os seguintes problemas da inserção fotovoltaica, como: a
regulação da tensão (flutuação de tensão, aumento da tensão e desequilíbrio de tensão),
harmônicos de corrente e tensão e ilhamento. No caso da flutuação de tensão, o sistema
fotovoltaico pode ser afetado devido a intermitência da saída de geração ocasionado pela
variação da irradiação solar. Para o aumento da tensão os diferentes níveis de penetração
fotovoltaica influenciam no carregamento do transformador de distribuição e alguns métodos
corretivos são utilizados, como: a instalação de capacitores fixos ou comutados, o controle de
carga automática nos transformadores, método de controle de energia reativa e sistemas de
armazenamento energia com bateria. A relação verificada do desequilíbrio de tensão, está
relacionada com o aumento da irradiação solar. As medidas mitigadoras para melhorar o
desequilíbrio é a instalação de sistemas de controle com compensador estático distribuído
(DSTATCOM) e restaurador dinâmico de tensão (DVR).
Ainda de acordo com Karimi et al. (2015), problemas de distorção harmônica são
evidenciados na alta penetração fotovoltaica e tem contribuindo nas perdas no sistema de
distribuição através do aquecimento, devido a conversão de corrente contínua em corrente
alternada utilizando o conversor. Como medida mitigadora para este problema os filtros
harmônicos são comumente utilizados. Segundo o autor, outro problema é o ilhamento do
sistema fotovoltaico, nesta condição o sistema fica conectado e injetando corrente mesmo
após o sistema principal ser desconectado da rede. Como medidas mitigadoras para o
ilhamento, é de suma importância a instalação de detectores de ilhamento que seja rápido e
preciso, podendo ser de operação remota ou local.
Haque et al. (2016), verificam que problemas com a regulação da tensão é o impacto mais
relevante, em razão da alta penetração fotovoltaica de sistemas residências conectadas as
redes de distribuição. Os métodos mitigadores propostos são categorizados em dois:
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convencionais (não tão eficazes) e os emergentes. Para os métodos convencionais incluem
recondutoramento, mudança de tape do transformador e comutação ou chaveamento de
banco de capacitor. Para os métodos emergentes incluem controle da energia reativa pelo
inversor do sistema fotovoltaico, instalação de banco de baterias para armazenamento do
excedente de energia durante o dia, controle coordenado entre a distribuidora e o inversor
do sistema fotovoltaico, instalação de restaurador de tensão dinâmico (DVR), instalação de
compensador estático de distribuição (DSTATCOM) e instalação de controlador de fluxo de
potência unificado (UPFC).
El-Amin et al. (2014), avalia que a alta penetração da energia fotovoltaica nas redes de
distribuição pode ocasionar aumento dos níveis de tensão e exceder os padrões e limites dos
níveis de harmônicos definidos pelas agências reguladoras de energia. As estratégias para
controle da tensão são ajuste da tensão no barramento e instalação de um conversor DC-DC
para manter a tensão dentro do valor de referência. As estratégias para controle do nível de
tensão incluem a instalação de filtros harmônicos.
Sa’ed et al. (2017), discutem que o aumento da penetração fotovoltaica tem causado
preocupação com o impacto dos harmônicos na rede. Elementos como o nível de penetração,
o número de sistemas conectados e a localização foram parâmetros para verificar os efeitos
dos harmônicos na rede produzidos pelo sistema conversor fotovoltaico. As técnicas de
mitigação de harmônicos consistiram na utilização de filtros passivos.
Kwofie et al. (2017), revelam em seus estudos onde o sistema conversor fotovoltaico é
operado, à medida que o fator de potência é reduzido há uma melhoria no nível de tensão,
porém as perdas tendem aumentar e seguem uma trajetória na forma de “U”. Como medida
de controle para equilibrar as perdas e o nível de tensão é recomendado o ajuste do fator de
potência em 0,97 atrasado, no qual as perdas mínimas são registradas para a interligação do
sistema fotovoltaico.
Sunny e Anto (2013), verificam que um dos principais fatores que afetam o desempenho da
inserção do sistema de geração fotovoltaico na rede de distribuição é o aumento da distorção
harmônica total de tensão (DHT) na saída do inversor. Este problema é devido à alta
intermitência da operação eletrônica destes sistemas consequência da flutuação contínua na
intensidade da irradiação solar. No estudo dos autores é proposta uma revisão dos métodos
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convencionais para redução DHT no inversor do sistema fotovoltaico conectado à rede, o
controle de histerese de banda fixa, controle de histerese de banda senoidal e controle de
lógica difusa. Contudo, os resultados deles evidenciaram que um controle de lógica difusa
pode proporcionar um desempenho melhor e um DHT reduzido quando comparado a outros
controles.
Athari et al. (2017), destacam que o aumento do nível de penetração da geração distribuída
fotovoltaica em redes de distribuição terá muitos impactos nas condições nominais do
funcionamento do circuito, incluindo a qualidade da tensão e os problemas de fluxo de
energia reversa nos perfis de carga residencial, comercial e industrial. Nos estudos os
autores apresentam um algoritmo para encontrar a melhor configuração de um sistema
fotovoltaico afim de minimizar a perda total de energia da rede e variação de tensão. E,
também apresenta como outras abordagens de mitigação de perdas de energia e variação
de tensão: a gestão pelo lado da demanda das unidades consumidoras, regulação/controle
de voltagem rápida através de compensação estática distribuída e armazenamentode
energia.
Gomes (2015), avalia o impacto da integração da Usina Solar do Mineirão de 1,42 MW de
potência instalada conectado à rede elétrica, em relação a regulação da tensão com foco no
afundamento de tensão. Após simulações de curto-circuito na rede de distribuição, a conexão
da usina no alimentador da rede de distribuição mostra claramente o impacto desta
integração com diminuição no afundamento da tensão. Os resultados mostram que os
benefícios desta integração são maiores quando a usina injeta potência ativa e reativa.
Pinto (2016), avalia os impactos da geração distribuída com sistemas fotovoltaicos na rede
de distribuição de baixa tensão e apresenta as suas medidas mitigadoras. Um dos impactos
da penetração da geração distribuída é a alteração da curva de carga que provoca mudanças
no fator de potência e carregamento do transformador de distribuição. As mudanças no fator
de potência podem ser corrigidas com o controle de reativo pelo inversor do sistema
fotovoltaico. No carregamento do transformador a alteração da curva de carga é visto como
um benefício, pois reduz o seu carregamento e aumenta a sua vida útil. Quanto aos
harmônicos, a sua quantidade não provocou distorção harmônica de tensão fora dos limites
estabelecidos em legislação vigente. A regulação da tensão segundo o autor pode-se
controlá-la pela a injeção de reativo via inversor do sistema fotovoltaico na rede de
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distribuição.
Portanto, o objetivo desta pesquisa é identificar, através de revisão sistemática da literatura,
os impactos da alta penetração fotovoltaica na rede distribuição de energia no que se refere
a qualidade de energia, bem como as medidas mitigadoras destes impactos. Além disso, esta
pesquisa destaca problemas já conhecidos de outras instalações nas redes de distribuição
com a alta penetração fotovoltaica, contribui positivamente na busca por soluções técnicas
comprovadas que orientam as distribuidoras de energia nos estudos e no planejamento da
inserção de novos empreendimentos de geração fotovoltaica.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Foram pesquisados artigos, teses e dissertações que avaliassem os impactos da alta
penetração fotovoltaica na rede de distribuição de energia em relação a qualidade de energia
e suas medidas mitigadoras. A questão levantada nesta pesquisa foi: Qual o impacto
característico verificado na alta penetração fotovoltaica quanto a qualidade de energia e a
sua medida mitigadora?
Desta forma, a seleção dos trabalhos para a pesquisa consistiu de duas fases, sendo que a
primeira fase consistiu como critério de inclusão os estudos que levassem em conta os
termos: impactos da geração fotovoltaica e geração distribuída. Os demais critérios de
inclusão, desta mesma fase, foram a delimitação da data de publicação entre os anos 2012 à
2017, e os idiomas inglês e português. No critério exclusão envolveu os trabalhos que
avaliassem a geração isolada, estudos de viabilidade econômica e dimensionamento de
sistemas fotovoltaicos. Na segunda fase consistiu na aplicação das etapas de seleção de
estudos primários desenvolvida por Dresch et al. (2014).
Assim, a primeira fase da pesquisa envolveu a intersecção dos termos nas plataformas de
busca, utilizando o operador booleano “E” (and) para a junção das palavras. Os limites para
localização dos termos restringiram-se ao título, resumo e palavras-chaves. Onde empregou-
se as seguintes combinações dos descritores em português e inglês: fotovoltaico
(photovoltaic), geração distribuída (distributed generation), fotovoltaico e geração distribuída
(photovoltaic and distributed generation), impactos e fotovoltaico (impacts and photovoltaic),
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impactos e fotovoltaico e geração distribuída (impacts and photovoltaic and distributed
generation). Contudo, a última combinação de descritores “impactos e fotovoltaico e geração
distribuída” foi a que mais apresentou resultados relacionados ao tema da pesquisa.
A busca da literatura foi realizada nas seguintes plataformas de busca de dados nacionais e
internacionais: Biblioteca Digital da Universidade de São de Paulo (USP), Biblioteca Digital da
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), IEEE Xplore Digital Library (Institute of
Electrical and Electronics Engineers) e ScienceDirect.
Concluída a primeira fase, foi aplicado a segunda fase da pesquisa que seguiu as etapas de
Dresch et al. (2014). Nesta fase foram avaliadas as três dimensões da qualidade de estudos
primários, a partir da leitura dos resumos dos trabalhos. As dimensões consistem: da
qualidade da execução do estudo, adequação à questão da revisão e a adequação ao foco da
revisão. Cada dimensão foi classificada como alta, média e baixa, sendo que a classificação
alta nas três dimensões foi o critério utilizado na pesquisa para o estudo dos trabalhos,
conforme Tabela 2.
Tabela 2 – Critérios para avaliação do estudo
Avaliação das dimensões
Avaliação do estudoQualidade da execução do
estudo
Adequação à questão de
revisão
Adequação ao foco da
revisão
Alta Alta Alta Alta
Alta Alta Média Média
Alta Média Média Média
Média Média Média Média
Alta Alta Baixa Baixa
Alta Média Baixa Baixa
Média Média Baixa Baixa
Média Baixa Baixa Baixa
Baixa Baixa Baixa Baixa
Fonte: O Autor (2017) – Adaptado de Dresch et al. (2014).
Foi considerado para a dimensão qualidade da execução do estudo, os trabalhos relevantes
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no cenário mundial relacionados a geração distribuída da energia fotovoltaica. Quanto a
dimensão adequação à questão da revisão, os trabalhos que tratam dos impactos da
penetração da geração fotovoltaica na rede distribuição. Por último, a dimensão adequação
ao foco da revisão são os trabalhos que apresentam as medidas mitigadoras para a alta
penetração fotovoltaica na rede distribuição de energia.
Desse modo, foi elaborado uma tabela com todos os trabalhos que obtiveram avaliação alta
em pelo menos uma das dimensões. Por fim, foram selecionados para estudo da pesquisa,
somente, os trabalhos que obtiveram avaliação alta em todas as dimensões.
3. RESULTADOS/DISCUSSÕES
A estratégia de pesquisa seguiu as duas fases descritas nos métodos para a seleção dos
trabalhos. Na primeira fase foi obtido um total 1.393 trabalhos nas plataformas de busca,
distribuídos em 847 trabalhos na Science Direct, 528 trabalhos na IEEE, 10 trabalhos na
Revista Brasileira de Energia Solar, 05 trabalhos na UFMG e 3 trabalhos na USP.
Na segunda fase foi aplicado o método Dresch et al. (2014), que resultou na seleção de 27
trabalhos com avaliação alta em pelo menos uma dimensão, sendo eles: 05 artigos da
Science Direct, 16 artigos da IEEE, 04 artigos da Revista Brasileira de Energia Solar, 01
dissertação da UFMG e 01 tese da USP, ver tabela 3.
Vale observar que, apesar do grande número de trabalhos das plataformas de busca
internacionais (IEEE e Science Direct) tiverem passado na primeira fase do método, muitos
deles não atingiram na segunda fase uma avaliação alta em pelo menos uma dimensão.
Tabela 3 – Trabalhos selecionados segundo os critérios para avaliação do estudo.
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Fonte: Autoria própria.
A partir da Tabela 3, foram selecionados para os estudos da pesquisa apenas os trabalhos
com avaliação alta em todas as dimensões, num totalde 10 trabalhos das seguintes
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instituições: 05 artigos da IEEE, 02 artigos da ScienceDirect, 01 artigo da Revista Brasileira
de Energia Solar, 01 artigo da UFMG e 01 tese da USP. Logo, estes trabalhos foram os mais
representativos, pois atenderam os critérios pré-estabelecidos da pesquisa e responderam à
questão levantada, como será discutido mais adiante.
Desta maneira, observa-se que os impactos da alta penetração fotovoltaica na rede de
distribuição com maior discussão, nos últimos anos, foram: a regulação da tensão, a
distorção harmônica, as perdas elétricas, o ilhamento e a alteração no fator de potência, ver
Tabela 4.
Tabela 4 – Trabalhos que avaliaram os impactos da geração fotovoltaica conectado à rede de
distribuição em relação a qualidade de energia e apresentaram as medidas mitigadoras
Autores
Instituição/
Ano
Impactos Medidas Mitigadoras
Marcio Eli
Moreira de
Souza et al.
Revista Brasileira
de Energia Solar
2014
Regulação da tensão
Ajuste na tensão do alimentador;
Recondutoramento;
Divisão do circuito;
Transformador de distribuição com comutação
de tapes;
Atuação dos inversores (controle de fator de
potência);
Comandos remotos pela distribuidora.
M. Karimi et al.
ScienceDirect
2015
Regulação da tensão
Redução da energia gerada pela GD FV;
Controle de transformadores de carga
automático;
Controle de energia reativa pelo inversor da GD
FV;
Armazenamento de energia em bateria;
Instalação de capacitores fixos ou comutados;
Instalação de restaurador de tensão dinâmico
(DVR);
Instalação de compensador estático de
distribuição (DSTATCOM);
Distorção Harmônica Instalação de filtros de harmônicos;
Ilhamento Sistema de Detecção de ilhamento;
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M. Mejbaul
Haque, Peter
Wolfs
ScienceDirect
2016
Regulação da tensão
Recondutoramento;
Mudança de tape;
Instalação de capacitores fixos ou comutados;
Controle do reativo pelo inversor da GD FV;
Baterias para armazenar o excedente de
energia durante o dia;
Controle coordenado entre a distribuidora e o
inversor da GD FV;
Instalação de restaurador de tensão dinâmico
(DVR);
Instalação de compensador estático de
distribuição (DSTATCOM);
Controlador de fluxo de potência unificado
(UPFC);
I. M. El-Amin,
M. Khaleel
Ahmed
IEEE 2014
Regulação de tensão
Controle da tensão no barramento;
Instalação de um conversor DC-DC;
Distorção Harmônica Instalação de filtros harmônicos;
J. A. Sa’ed et
al.
IEEE 2017 Distorção Harmônica Instalação de filtros passivos;
Ekow Appiah
Kwofie et al.
IEEE 2017
Regulação da tensão
Redução do Fator de potência para 0,97;
Perdas Elétricas
Rangy Sunny,
Robins Anto
IEEE 2013 Distorção Harmônica Instalação de controle de lógica difusa;
Mir Hadi Athari
et al.
IEEE 2017
Regulação da tensão Controle da demanda de cargas de clientes;
Compensação de reativo;
Armazenamento de energia;Perdas Elétricas
João Paulo
Ramos Gomes
UFMG 2015
Afundamento da
tensão
Injeção de potência ativa e reativa pela GD FV;
Aimé Fleury de
Carvalho Pinto
Neto
USP 2016
Regulação de tensão
Controle de reativo pelo inversor da GD FV;
Fator de potência
Notas: GD: Geração Distribuída. FV: Fotovoltaica. Fonte: Autoria própria.
Os autores Souza (2014), Ahmed (2014), Karimi et al (2015), Pinto (2016), Haque e Wolf
(2016), El-Amin e Sa’ed et al (2017), Athari et al (2017) e Kwofie et al (2017), apontaram a
regulação de tensão nas redes das distribuidoras como o impacto mais evidente com a alta
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penetração fotovoltaica quanto à qualidade de energia. E, as soluções apresentadas passam
por: ajuste na tensão do alimentador próximo a geração distribuída, redimensionar a bitola
dos cabos da rede, dividir os circuitos para melhor distribuição das cargas, utilizar
transformadores com comutação de tape e fazer seu no controle de tensão, atuação dos
inversores no controle de injeção de potência ativa e reativa e, consequentemente, controlar
a tensão. Além disso, há a opção de correção não convencional através de comandos
remotos acionados pelas distribuidoras no controle de tensão nos sistemas conectados à
rede.
Os autores também sugerem outras formas de controle de tensão, como: a instalação de
banco de capacitores no controle de reativo da rede e, assim, ajustar a tensão para manter
dentro dos padrões regulatórios adequados, também pode-se valer do uso do próprio
inversor no ajuste da tensão controlando a injeção da potência reativa e ativa na rede,
controle da tensão através do armazenamento de energia via banco de baterias e a
instalação de restaurador de tensão ou compensador estático.
Nos impactos causados pela distorção harmônica, Sunny e Anto (2013), El-Amin e Ahmed
(2014), Karimi et al (2015) e Sa’ed et al (2017), indicaram como medida corretiva e
mitigadora a instalação de filtros harmônicos para a redução das correntes harmônicas. Nos
impactos causados pelas perdas elétricas nas redes das distribuidoras, Athari et al (2017) e
Kwofie et al (2017), indicaram como medida corretiva e mitigadora o controle do fator de
potência e da potência reativa injetada através dos inversores do sistema fotovoltaico
conectado à rede. Por fim, os autores Karimi et al (2015), citaram o impacto causado pelo
ilhamento quando a rede da distribuidora está desligada ou operando em condições
precárias e o sistema fotovoltaico conectado à rede ainda permanece operando. As medidas
mitigadoras desse impacto passam pela instalação de sistema detecção de ilhamento
acoplados aos inversores que desconectam o sistema fotovoltaico da rede num eventual
desligamento da rede.
Desta forma, fica evidenciado que a regulação de tensão tem impacto relevante com a alta
penetração de sistema fotovoltaico. Outro problema é devido a intermitência da geração do
sistema fotovoltaico conectado à rede, que gera conforme a irradiação solar disponível,
provocando flutuações de tensão. Entretanto, as maiores dificuldades estão: em atender
padrões regulatórios de qualidade do produto previsto pela agência nacional de energia
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elétrica (ANEEL), diminuir perdas elétricas no sistema de distribuição de energia, diminuir
sobrecargas na rede secundária, proteger os equipamentos conectados à rede e diminuir as
oscilações de tensão.
Cabe destacar, que nos estudos avaliados verificou-se que a alta penetração fotovoltaica
também impacta no aumento da vida útil dos transformadores das distribuidoras, com a
redução do seu carregamento. Segundo Souza et al. (2014) e Pinto (2016), com o aumento
da penetração da geração fotovoltaica na rede de distribuição pode ocorrer o alívio de cargas
sobre os transformadores. Isto ocorre porque o fluxo de potência, antes tinha apenas um
sentido, ou seja, concessionária/consumidor e posterior instalação do sistema fotovoltaico o
fluxo se torna bidirecional e, consequentemente, implica em uma menor exigência dos
transformadores, devido a fonte estar junto a carga.
Portanto, para as medidas mitigadoras, as mais citadas para a regulação da tensão foram: o
controle de potência ativa e reativa através do inversor do sistema de geração fotovoltaica
conectado à rede, recondutoramento, comutação de tape do transformador, armazenamentode energia via baterias, instalação de capacitores e instalação de equipamentos para
controle de tensão, a exemplo do restaurador dinâmico de tensão (DVR) e do compensador
síncrono estático de distribuição (DSTATCOM).
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A avaliação dos estudos mostra que a regulação da tensão, distorção harmônica, ilhamento e
alteração no fator de potência são os impactos que possuem maior relevância quando se tem
alta penetração de sistema fotovoltaico. Contudo, a maioria dos estudos abordam problemas
de regulação de tensão como impacto característico, e, isto deve ser foco de preocupação
por parte das distribuidoras de energia. As medidas mitigadoras mais citadas para regulação
de tensão, foram o controle de potência ativa e reativa através do inversor do sistema de
geração fotovoltaica, recondutoramento, comutação de tape do transformador,
armazenamento de energia via baterias, instalação de capacitores e instalação de
equipamentos para controle de tensão.
Desta forma, esta pesquisa procurou contribuir destacando os principais impactos e medidas
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mitigadoras abordadas em sistemas fotovoltaicos com alta penetração na rede de
distribuição. Também apresentou soluções e estratégias tecnicamente comprovadas e
viáveis economicamente na mitigação destes impactos, destaca-se os métodos
convencionais e emergentes na redução destes impactos, buscando atender os padrões
regulatórios de qualidade de energia das agências fiscalizadoras e reguladoras de energia
elétrica brasileira. Bem como os possíveis impactos na rede secundária das distribuidoras de
energia elétrica e nos estudos de planejamento das novas inserções de sistemas
fotovoltaicos, num cenário de expansão da geração distribuída fotovoltaica no Brasil.
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3. Definida como fonte de energia elétrica conectada à rede de distribuição e próximas ao
centro de consumo, dividida em microgeração distribuída com geração máxima de 75 KW e
minigeração com geração acima de 75 KW e máxima de 3 MW para fontes hídricas e 5 MW
para cogeração qualificada ou para as demais fontes renováveis de energia elétrica (BRASIL,
2012).
[1] Mestrado em Engenharia de Edificações e Ambiental. Engenheiro Eletricista.
[2] Doutor em Engenharia Elétrica.
Enviado: Outubro, 2018.
Aprovado: Julho, 2019.
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