Princípios de Operação de Inversores Conectados à Rede
I. Princípios de Funcionamento dos Inversores de Rede
Os inversores de rede são dispositivos que convertem corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA) e são amplamente utilizados em sistemas de geração de energia fotovoltaica (PV). Os princípios de funcionamento envolvem vários aspectos:
Processo de Conversão de Energia:Sob a luz solar, os painéis fotovoltaicos geram eletricidade CC. Para inversores de rede de pequeno e médio porte, geralmente é usada uma estrutura de duas etapas, onde a saída CC dos painéis fotovoltaicos é primeiro convertida através de um conversor DC/DC para uma conversão preliminar, e depois através de um conversor DC/AC para produzir CA. Inversores grandes geralmente usam uma estrutura de uma etapa para conversão direta. Durante a operação, o inversor controla o módulo inversor trifásico detectando a tensão e corrente CC, bem como a tensão e corrente CA da rede. O sistema de controle digital gera sinais de acionamento PWM (Modulação de Largura de Pulso), fazendo com que o inversor produza CA que está sincronizado em frequência e fase com a rede. Por exemplo, quando a eletricidade CC proveniente dos painéis fotovoltaicos entra no inversor de rede, ela primeiro passa por um retificador (se a estrutura de duas etapas incluir uma função de retificação), convertendo qualquer CA existente em CC, e depois através dos componentes eletrônicos da seção do inversor para converter CC em CA, que é, finalmente, fornecida a cargas residenciais ou industriais ou alimentada na rede.
Componentes Principais e Suas Funções:
Retificador: Em algumas estruturas, é responsável por converter CA em CC, garantindo que a entrada para a parte subsequente do inversor seja CC.
Inversor: Este é o componente central, utilizando elementos eletrônicos (como dispositivos semicondutores de potência) para converter CC em CA.
Controlador: Controla todo o processo de conversão, incluindo o monitoramento das tensões e correntes de entrada e saída, e ajusta os sinais de acionamento PWM com base nesses parâmetros para garantir que a saída AC atenda aos padrões necessários.
Terminal de Saída: Fornece a corrente AC convertida à rede ou à carga.
II. Relação entre Inversores de Rede e a Rede Elétrica
Transmissão de Energia e Interação:A função principal de um inversor de rede é converter DC em AC e conectar-se à rede, permitindo a transmissão de energia. Ele pode alimentar a eletricidade gerada pelo sistema fotovoltaico (PV) na rede, atendendo às necessidades de energia de outros usuários. Nesse processo, a rede atua como um grande centro de armazenamento e distribuição de energia, e o inversor de rede serve como a ponte que conecta a energia fotovoltaica distribuída a esse centro. Por exemplo, em projetos de PV distribuídos, muitas residências com sistemas PV vendem energia excedente à rede através de inversores de rede, alcançando um fluxo de energia bidirecional—tanto recebendo quanto fornecendo energia à rede.
Do ponto de vista da rede, à medida que mais inversores conectados à rede são integrados, as fontes de energia da rede se tornam mais diversificadas. No entanto, isso também coloca novas demandas na estabilidade da rede e na qualidade da energia.
Controle e Adaptação:Atualmente, os inversores conectados à rede operam principalmente em dois modos de controle básicos: controle de corrente e controle de tensão. No modo de controle de corrente, o inversor visa controlar a corrente de saída e deve se adaptar às mudanças na tensão da rede e em outros parâmetros. Por exemplo, em redes fracas (alta impedância, estrutura fraca, baixa resistência a correntes de surto), o inversor precisa ter forte capacidade de adaptação a redes de alta impedância para evitar fenômenos de ressonância que possam levar ao agravamento de falhas. Diferentes fabricantes de inversores usam diversos algoritmos e mecanismos de controle para se adaptar às mudanças na rede, como algoritmos de amortecimento ativo inteligente para abordar problemas de ressonância em redes fracas, e estratégias como controle repetitivo, parâmetros PI dinâmicos, supressão de harmônicas específicas e compensação de tempo morto.
No modo de controle de tensão, o inversor visa o controle de tensão, fazendo com que as características externas do inversor conectado à rede se comportem como uma fonte de tensão controlada, capaz de fornecer suporte para tensão e frequência. Isso é particularmente adequado para conexões de energia renovável de alta penetração, significando que o inversor pode, em certa medida, regular a tensão e a frequência da rede para manter a operação estável.
III. Os Inversores de Rede podem Operar sem a Rede?
Em Circunstâncias Normais, a Operação Não é Permitida:De acordo com as normas e regulamentos de segurança relevantes, os inversores de rede geralmente são equipados com dispositivos anti-ilhamento. Quando a tensão da rede é zero, o inversor para de funcionar. Isso ocorre porque, se o inversor continuar a operar durante uma interrupção de energia, pode representar uma ameaça à segurança para o pessoal de manutenção. Por exemplo, se o sistema fotovoltaico continuar a fornecer energia à rede através do inversor durante uma interrupção de energia, pode facilmente causar choques elétricos e outros incidentes de segurança. Portanto, as normas nacionais estipulam que os inversores de rede fotovoltaica devem ter funções de detecção e controle de ilhamento, e devem parar de operar quando a rede não estiver disponível.
Operação com Modificações Especiais:Teoricamente, sem modificar o software ou o hardware, um inversor off-grid poderia ser usado para "simular" uma rede, fazendo com que o inversor fotovoltaico acredite que a rede está normal, permitindo assim que ele forneça energia a essa "rede". No entanto, esse método carrega riscos e não está em conformidade com os requisitos normais de segurança e regulamentação. Além disso, se o inversor conectado à rede for modificado para permitir operação off-grid, como em alguns inversores híbridos conectados à rede e off-grid, ele pode mudar para o modo off-grid quando a rede estiver fora do ar. Isso, no entanto, já não é uma função de um inversor puro conectado à rede, mas sim o resultado de um design e modificação especiais.
IV. Condições Essenciais para a Operação do Inversor Conectado à Rede
Condições Técnicas:
Sincronização de Frequência: A frequência da rede é tipicamente 50Hz ou 60Hz na maioria das regiões. A saída de frequência AC do inversor deve estar sincronizada com isso. Isso geralmente é alcançado através de tecnologias como Circuitos de Trava de Fase (PLLs) para garantir que a frequência AC do inversor corresponda à frequência da rede, caso contrário, não pode operar normalmente.
Sincronização de Fase: Além da sincronização de frequência, a saída AC do inversor também deve estar sincronizada em fase com a tensão da rede. A sincronização de fase é alcançada através de tecnologias de controle relacionadas. Somente com a sincronização de fase, a energia de saída do inversor pode ser integrada suavemente à rede, sem causar efeitos adversos como flutuações de potência e diminuição da qualidade da energia.
Compatibilidade de Tensão: A tensão de saída do inversor deve corresponder à tensão da rede no ponto de conexão. Embora os inversores sejam geralmente projetados para se adaptar a diferentes níveis de tensão, é necessário garantir a operação dentro de limites seguros. Se a tensão não for compatível, pode impedir a transmissão normal de energia e até mesmo danificar o inversor ou equipamentos da rede.
Limitações Harmônicas: Durante a conversão de DC para AC, o inversor pode gerar harmônicos, que podem afetar a rede, como causar distorção de tensão e afetar o funcionamento normal de outros equipamentos elétricos. Portanto, os inversores devem atender a certos padrões de limitação harmônica para garantir a qualidade do fornecimento de energia. Por exemplo, a corrente de saída do inversor não deve conter um componente DC, e as harmônicas de ordem superior na corrente de saída do inversor devem ser minimizadas para evitar a poluição da rede.
Controle de Potência Reativa: O inversor deve ser capaz de controlar a potência reativa de saída para suportar a estabilidade da tensão da rede. Em redes com alta proporção de energia renovável, o controle de potência reativa é particularmente importante. Controlando a potência reativa, o nível de tensão da rede pode ser regulado, melhorando a estabilidade e a qualidade do fornecimento de energia.
Proteção contra Efeito Ilha: Quando a rede está desligada, o inversor deve se desconectar rapidamente da rede para evitar que ele forneça energia à rede desconectada, protegendo assim os técnicos de manutenção. Esta é uma das funções de segurança essenciais dos inversores conectados à rede.
Condições de Segurança:
Segurança Elétrica: O inversor e sua instalação devem cumprir os padrões de segurança elétrica relevantes, incluindo isolamento, proteção contra sobrecarga e proteção contra curto-circuito. Por exemplo, o desempenho de isolamento elétrico do inversor deve ser bom para evitar vazamentos; em caso de sobrecarga ou curto-circuito, o inversor deve ativar mecanismos de proteção para evitar danos ao equipamento e possíveis incêndios.
Classificação de Proteção: O inversor precisa de uma certa classificação de proteção para resistir a fatores ambientais, como poeira e umidade. Inversores externos geralmente requerem uma classificação de proteção mais alta, como IP65. A classificação de proteção garante que o inversor possa operar normalmente em diferentes condições ambientais e prolonga sua vida útil.
Regulamentos e Padrões:
Padrões Nacionais e da Indústria: Os inversores conectados à rede devem cumprir padrões nacionais e da indústria, como o padrão GB/T 37408 - 2019 da China, que especifica os requisitos técnicos para inversores fotovoltaicos conectados à rede. Esses padrões abrangem múltiplos aspectos, incluindo desempenho, segurança e qualidade do fornecimento de energia, garantindo que os inversores atendam às regulamentações ao operar na rede.
Permissões e Aprovações: A instalação e operação de inversores conectados à rede podem exigir permissões e aprovações do departamento de energia para garantir que não afetem negativamente a rede. O departamento de energia revisará a localização, capacidade e parâmetros técnicos do inversor, e apenas após a aprovação, o inversor poderá ser conectado à rede.
Fatores Econômicos:
Retorno sobre o Investimento (ROI): Usuários ou empresas que consideram inversores conectados à rede avaliarão o ROI, incluindo os custos iniciais de investimento, despesas operacionais e de manutenção, e possíveis subsídios políticos ou receitas da venda de eletricidade. Se o ROI não for favorável, isso pode afetar o entusiasmo pelos inversores conectados à rede. Por exemplo, se o custo inicial de investimento for alto e o preço de venda da eletricidade for baixo, sem políticas de subsídio suficientes, os investidores podem ser desencorajados.
Políticas de Subsídio: Diferentes regiões podem ter diferentes políticas de subsídio, o que pode afetar a viabilidade econômica dos projetos de inversores conectados à rede. Algumas regiões oferecem subsídios para incentivar o desenvolvimento de energia renovável, incluindo subsídios para a compra de inversores e tarifas de compra, que ajudam a melhorar os benefícios econômicos dos projetos de inversores conectados à rede.
Compatibilidade do Sistema:
Compatibilidade com a Rede: O inversor deve ser compatível com o sistema de rede existente, incluindo a estrutura, escala e características operacionais da rede. Diferentes estruturas de rede (por exemplo, sistemas de energia TT, IT e TN) e escalas (por exemplo, redes de baixa e alta tensão) têm diferentes requisitos para inversores, e o inversor deve ser capaz de se adaptar a essas diferenças para alcançar uma conexão estável com a rede.
Compatibilidade com Equipamentos: O inversor deve ser bem compatível com os equipamentos de geração de energia conectados (por exemplo, painéis solares, turbinas eólicas) para alcançar uma conversão eficiente de energia. Por exemplo, a potência de saída e a tensão dos painéis solares devem corresponder aos requisitos de entrada do inversor para garantir a eficiência e o desempenho do sistema de geração inteiro.
Fatores Ambientais:
Adaptabilidade Ambiental: O inversor deve ser capaz de se adaptar às condições ambientais do local de instalação, como temperatura e umidade, para garantir o funcionamento estável a longo prazo. Por exemplo, em ambientes de alta temperatura, o desempenho de dissipação de calor do inversor deve ser bom para evitar danos por superaquecimento; em ambientes de alta umidade, o inversor deve ter propriedades resistentes à umidade para evitar curto-circuitos internos.
Impacto Ambiental: O design e operação do inversor devem considerar seu impacto no ambiente, como ruído e interferência eletromagnética. Deve-se fazer esforços para minimizar o ruído gerado durante a operação do inversor para evitar poluição sonora, e a interferência eletromagnética deve ser controlada para prevenir a interferência com outros dispositivos eletrônicos.
Operação e Manutenção:
Interface do Usuário: O inversor deve fornecer uma interface intuitiva para monitorar o status do sistema e realizar as configurações necessárias. Por exemplo, os usuários podem visualizar os parâmetros operacionais do inversor (por exemplo, tensão de entrada/saída, corrente, potência) e informações de alarme de falha através da interface, e realizar configurações básicas (por exemplo, limites de potência, seleção de modo de operação).
Requisitos de Manutenção: A manutenção do inversor deve considerar a facilidade de manutenção, os custos de manutenção e os ciclos de manutenção. Um inversor que é fácil de manter pode reduzir os custos e a dificuldade de manutenção, enquanto um ciclo de manutenção razoável pode garantir a operação estável a longo prazo. Por exemplo, a estrutura interna do inversor deve ser projetada para facilitar a inspeção pelo pessoal de manutenção, e a vida útil e os custos de substituição de seus componentes devem ser razoáveis.
V. O Papel da Rede na Operação do Inversor Conectado à Rede
Fornecendo Referência para Operação:A tensão, frequência e outros parâmetros da rede fornecem um padrão de referência para a operação dos inversores conectados à rede. O inversor precisa ajustar sua saída com base na tensão e frequência da rede para corresponder a esses parâmetros. Por exemplo, o inversor utiliza tecnologias como PLL para sincronizar a frequência e fase de sua saída AC com a rede e ajustar a tensão, garantindo a integração suave de energia na rede. Sem a rede fornecendo essas referências, o inversor não seria capaz de ajustar sua saída com precisão, e a conexão normal à rede não seria possível.
Habilitando Transmissão e Distribuição de Energia:A rede fornece uma plataforma para a transmissão e distribuição de energia dos inversores conectados à rede. Após o inversor alimentar a energia AC gerada pelo sistema fotovoltaico (PV) na rede, a rede pode transmitir essa energia para onde ela é necessária, alcançando uma distribuição ampla. Isso permite que a energia PV se integre ao sistema de energia mais amplo, fornecendo eletricidade a mais usuários. A escala e estrutura da rede também influenciam os métodos de conexão e os requisitos operacionais do inversor. Por exemplo, em redes de diferentes níveis de tensão (por exemplo, redes de baixa e alta tensão), o inversor deve atender aos padrões de acesso e requisitos técnicos correspondentes para garantir a transmissão segura e eficiente de energia.
Garantindo Operação Estável:Na rede, inúmeros dispositivos de geração e consumo de energia estão interconectados, formando um grande sistema de energia. Este sistema possui certo grau de estabilidade e inércia, o que ajuda a estabilizar a operação dos inversores conectados à rede. Por exemplo, quando a potência de saída de um sistema fotovoltaico flutua, a rede pode equilibrar essas flutuações através de seus próprios mecanismos de regulação (por exemplo, ajustando a potência de saída de outros dispositivos de geração), reduzindo assim o impacto no inversor. Além disso, a rede fornece proteção contra curto-circuito e outras características de segurança. Se ocorrer uma falha de curto-circuito na saída do inversor, os dispositivos de proteção da rede atuarão para evitar que a falha se agrave, protegendo o inversor e outros equipamentos.
