Impactos da alta penetração fotovoltaica na rede elétrica em relação 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

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, 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 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 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.

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 141 MW. 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 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: 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 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 armazenamento de 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 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), 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 estudo
Qualidade 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 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.

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 total de 10 trabalhos das seguintes 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;
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 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 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, armazenamento de 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 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.

5. REFERÊNCIAS

ATHARI, M. H.; WNAG, Z.; EYLAS, S. H. Time-Series Analysis of Photovoltaic Distributed Generation Impacts on a Local Distributed Network, PowerTech, 2017 IEEE, Manchester, UK, 2017. Disponível em: < 10.1109/PTC.2017.7980908 >. Acessado em: 18 de set. 2017.

BRASIL. ANEEL. Resolução Normativa Nº 482/2012, Diretoria Geral, Brasília, 2012.

______. ANEEL. Resolução Normativa Nº 687/2015, Diretoria Geral, Brasília, 2015.

______. ANEEL. Geração Distribuída. Fonte, Brasil, 2017a. Disponível em: < http://www2.aneel.gov.br/scg/gd/GD_Fonte.asp>. Acessado em: 20 de nov. 2017.

______. ANEEL. Nota Técnica n° 0056/2017-SRD/ANEEL. Atualização das projeções de consumidores residenciais e comerciais com microgeração solar fotovoltaicos no horizonte 2017-2024, Brasil, 2017b. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br>. Acessado em: 20 de nov. 2017.

DRESCH, A.; LACERDA, D. P; JÚNIOR, J. A. V. A. Design Science Research: Método de Pesquisa para Avanço da Ciência e Tecnologia. Porto Alegre: Bookman, 2014. 204p.

EL-AMIN, I. M.; AHMED, M. K. Impact of a PV System on a Power Grid, IEEE – International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation an Motion, Ísquia, Itália, 2014. Disponível em: <10.1109/SPEEDAM.2014.6872082>. Acessado em: 16 set. 2017.

GOMES, J. P. R. Avaliação dos Impactos da Integração da Usina Fotovoltaica do Mineirão à Rede Elétrica Frente a Afundamentos de Tensão. Dissertação de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil, 2015.

HAQUE, M. M.; WOLFS P. A review of high PV penetrations in LV distribution networks: Present status, impacts and mitigation measures, Rockhampton, Austrália, mai. 2016. Disponível em: <http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2016.04.025>. Acessado em: 17 set. 2017.

IEA PVPS – INTERNATIONAL ENERGY AGENCY PHOTOVOLTAIC POWER SYSTEMS PROGRAMME. Snapshot of Global Photovoltaic Markets, Survey report Global Photovoltaic (1992-2016), 2017.

IRENA – INTERNATIONAL RENEWABLE ENERGY AGENCY. Renewable energy Auctions: Analysing 2016. (forthcoming), IRENA, Abu Dhabi, 2017.

KARIMI, M.; MOKHLIS, H.; NAIDU, K.; UDDIN, S.; BAKAR, A. H.A. Photovoltaic penetration issues and impacts in distribution network – A review, Kuala Lumpur, Malaysia, set. 2015. Disponível em: <http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.08.042>. Acessado em: 17 set. 2017.

KWOFIE, E. A.; MENSAH, G.; ANTO, E. K. Determination of the Optimal Power Factor at which DG PV should be Operated, Power Africa, 2017 IEEE PES, Accra, Gana, 2017. Disponível em: <10.1109/PowerAfrica.2017.7991256>. Acessado em: 18 de set. 2017.

MME. MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. MME cancela 2º LER com anuência do CNPE. Brasília, 2016. Disponível em:<http://www.mme.gov.br/web/guest/pagina-inicial/outras-noticas/-/asset_publisher/32hLrOzMKwWb/content/mme-cancela-2-ler-com-anuencia-do-cnpe>. Acessado em: 10 mar. 2018.

PINTO, A. F. C. Avaliação dos impactos de sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição de baixa tensão. Tese de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Energia – EP / FEA / IEE / IF da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2016.

SA’ED, J. A.; QURAAN, M.; SAMARA, Q.; FAVUZZA, S.; ZIZZO, G. Impact of Integrating Photovoltaic Based DG on Distribution Network Harmonics, IEEE – International Conference, Milão, Itália, 2017. Disponível em; < 10.1109/EEEIC.2017.7977786 >. Acessado em: 16 de set. 2017.

SOUZA, M. E. M; VALE, M. H. M.; CHAGAS, E. H. P. B.; COSTA, S. C. S.; ZILLES, R. Projeto 120 Telhados – Inserção de Micro-Geração Distribuída nas Redes de Baixa Tensão: Implantação de Telhados Solares em Sete Lagoas. Revista Brasileira de Energia Solar, Vol. V, nº 2, 2014, p. 137-146.

SUNNY, R.; ANTO, R. Harmonics Control and Performance Analysis of a Grid Connected Photovoltaic System, IEEE – 2013 International Conference on Advanced Computing and Communication Systems (ICACCS -2013), Coimbatore, India, 2013. Disponível em:< 10.1109/ICACCS.2013.6938706 >. Acessado em: 18 de set. 2017.

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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