Configurações e modos de operação dos inversores
híbridos e seus requisitos técnicos para
operação on-grid e off-grid
Prof. Me. Lucas Vizzotto Bellinaso – [email protected]
Prof. Dr. Leandro Michels – [email protected]
19 de novembro de 2015
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia
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11
Sistema PV conectado à rede
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
1/5
12
Sistema PV conectado à rede
FALTA
Anti-ilhamento
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
1/5
13
Sistema PV híbrido
Workshop Inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
1/5
14
Sistema PV híbrido
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
FALTA
Anti-ilhamento
1/5
15
O que são sistemas PV híbridos?
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Grid-tie Off-grid UPS
Injeta energia na rede
Obtém energia da rede
Armazenamento de energia
Frequência de operação Da rede Fixa Fixa*
Grandeza controlada Corrente Tensão Tensão
Reconexão com a rede
Desconexão da rede
Anti-ilhamento
Comutação entre rede e outra fonte
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O que são sistemas PV híbridos?
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
PV Grid-tie
UPS
Operação on-grid
Controle corrente
Operação off-grid
Controle tensão
Desconexão
Reconexão
Carga baterias
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Conversor fotovoltaico multifuncional
Inversor híbrido: nomeclatura modesta
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
P
Q
InversorRetificador
Grid-tieOff-grid
Carga de baterias pela rede
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• Classes de UPS da IEC 62040
1. Espera passiva (off-line)
2. Dupla conversão (on-line)
3. Linha interativa
Classificação de inversores híbridos
Cargas
prioritárias
S1Rede
elétrica
Inversor híbrido
G L
S2
GFV
+
-
CCCC
CCCC
CCCA
CCCA
Cargas
prioritáriasS1
Rede
elétrica
Inversor híbrido
G L
S2
GFV
+
-
CCCC
CCCC
CCCA
CCCA
GFV
+
-
Cargas
prioritárias
S1 S2Rede elétrica
Inversor híbrido
G L
CCCC
CCCC
CCCA
R
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• Classe: Espera passiva
Classificação de inversores híbridos
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Cargas
prioritárias
S1Rede
elétrica
Inversor híbrido
G L
S2
GFV
+
-
CCCC
CCCC
CCCA
CCCARetificador
carga baterias
Inversor grid-tie + off-grid
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• Classe: Dupla conversão
Classificação de inversores híbridos
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Cargas
prioritáriasS1
Rede
elétrica
Inversor híbrido
G L
S2
GFV
+
-
CCCC
CCCC
CCCA
CCCAInversor grid-tie
+ carga baterias
Inversor off-grid
V,f independentes da rede
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• Classe: Linha interativa
– Tipo 1: chave interna de desconexão da rede
Classificação de inversores híbridos
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
GFV
+
-
Cargas
prioritárias
S1 S2Rede
elétrica
Inversor híbrido
G L
CCCC
CCCC
CCCA
R
Inversor grid-tie
+ off-grid
+ carga de baterias
1/5
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• Classe: Linha interativa
• Tipo 1: chave interna de desconexão da rede
– Intertravamento mecânico → redundância para inversores com saída de corrente separada da de tensão
Classificação de inversores híbridos
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
GFV
+
-
Cargasprioritárias
S1 S2Rede elétrica
Inversor híbrido
G L
CCCC
CCCC
CCCA
R
Intertravamento
mecânico
Controle
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• Classe: Linha interativa
– Tipo 2: chave externa de desconexão da rede
Classificação de inversores híbridos
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
GFV
+
-
Cargas
prioritárias
S1Rede elétrica
Inversorhíbrido
CCCC
CCCC
CCCA
R
S2
Chave externa
Inversor grid-tie
+ off-grid
+ carga de baterias
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• Modos de operação em relação à conexão com a rede de
inversores híbridos
1. Inversor grid-tie
2. Carga de baterias pela rede
3. Autônomo → off-grid UPS
Modos de operação e seus requisitos
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Modo 1: Grid-tie
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
prioritárias
S1
Rede
elétrica
• Princípio de operação
Baterias sendo
carregadas
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Modo 1: Grid-tie
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
• Princípio de operação
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
prioritárias
S1
Rede
elétrica
Baterias sendo
descarregadas
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• Requisitos
Qualidade de energia
– THD
– Harmônicos
– ...
Proteções
– Desconexão
– Reconexão
– Anti-ilhamento
– ...
Modo 1: Grid-tie
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
prioritárias
S1
Rede
elétrica
Contemplados na NBR 16149
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• Princípio de operação
Modo 2: Carga de baterias on-grid
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
prioritárias
S1
Rede
elétrica
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• Requisitos de desempenho
Qualidade de energia ?
– THD da corrente
– Nível CC da corrente
– Harmônicas de corrente
– Fator de potência mínimo
Suporte para a rede de distribuição ?
– Curva FP x Tensão para P > 3 KW
– Controle externo
Modo 2: Carga de baterias on-grid
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Requisitos podem ser adaptados da NBR 16149
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
prioritárias
S1
Rede elétrica
OPCIONAL
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• Requisitos
Desconexão da rede
– Testes não necessáriosem modo carga
Reconexão na rede
– Tempo mínimo não necessário em modo carga
OBS: NBR16149 → tempo mínimo de
20s a 300s para fornecer energia após
retorno da rede
Modo 2: Carga de baterias on-grid
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
prioritárias
S1
Rede elétrica
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Modo 3: Off-grid UPS
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
Rede elétrica aberta S1
UPS com energia
PV abundante
• Princípio de operação
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• Princípio de operação
Modo 3: Off-grid UPS
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
Rede elétrica aberta S1
UPS com energia
PV escassa
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• Requisitos
Qualidade de energia
– THD, harmônicos, etc...
– Nível CC máximo da tensão
Alimentação de cargas prioritárias
– Linear
– Não linear
– Indutiva e capacitiva
Proteções
– sobre corrente no modo tensão
– curto-circuito no modo tensão
Modo 3: Off-grid UPS
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
Rede elétrica aberta S1
Contemplados na IEC 62040
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• Requisitos
Desempenho transitório
– Degrau de cargas lineares e não lineares
Modo 3: Off-grid UPS
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Contemplado na IEC 62040
Inversor
híbrido
Medição de tensão
20%
80%
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• Requisitos
Desempenho transitório
– Degrau de cargas lineares e não lineares
Modo 3: Off-grid UPS
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Contemplado na IEC 62040
200
150
100
50
-50
-100
-150
-200
0
0
Tempo (ms)
16,66 5033,33 66,66
Inversor
híbrido
Medição de tensão
20%
80%
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Modo 3: Off-grid UPS
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
• Requisitos
Desempenho transitório
– Requisito para degrau de cargas → classe 3 (IEC 62040)
Contemplado na IEC 62040
Classe 3
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• Transições on grid ↔ off-grid
– Limites classe 3 (IEC 62040)
– Tempo máximo para falta de tensão → 10 ms
Requisitos adicionais
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Contemplado na IEC 62040
Classe 3
Tempo limite para falta de tensão
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...
...0
0
30 st1 t2 Operação on-gridOperação off-grid
Carga não linear
Retificador não controlado
Inversor híbrido
conectado à rede
Rede
elétricaR
irede
iinv
icarga
Mo
ni to
ramen
to
da ten
são d
a re de
t2t1 Vrede VinvS1
Vinv Vrede
iinv irede
• Reconexão → necessita de sincronismo
Requisitos adicionais
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Retorno da rede Reconexão
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• Normas de referência
– NBR 16149
– IEC 62109
– IEC 62040
• Principais requisitos de segurança e proteção
– Proteção contra curto-circuito
– Desconexão em caso de falha simples
– Segurança contra choques elétricos
– ...
Requisitos adicionais
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
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• 10 ensaios sugeridos além dos utilizados para inversores
PV grid-tie, baseados nas normas existentes
1. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão operando on-grid
2. Ensaio de qualidade de energia em modo off-grid
3. Ensaio de sobrecarga em modo off-grid
4. Ensaio de curto-circuito em modo off-grid
5. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão com a rede em modo
off-grid
6. Ensaio de comutação de cargas em modo off-grid
7. Ensaio de comutação on-grid → off-grid
8. Ensaio de comutação off-grid → on-grid
9. Ensaio de qualidade de energia em modo de carga pela rede
10. Ensaio do tempo de reconexão para fornecer energia à rede
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
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1. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão operando on-grid
Objetivo: Garantir que inversor e
chaves não se danifiquem
até proteção atuar
Sugestão: realizar 2 curto-circuitos
separados por 1 minuto de tempo
na saída de tensão durante
alimentação pela rede e
verificar, após rearmada as proteções,
se o inversor opera normalmente.
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
LPE N L N
Gerador
fotovoltaico
Banco de
baterias
Outras
fontes
Saída de corrente
NBR 16149 Saída de tensão
Módulo de
Eletrônica de Potência
C1
C2
C3
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2. Ensaio de qualidade de energia em modo off-grid
Objetivo: garantir qualidade da tensão gerada
Sugestão: considerar limites do PRODIST
– Sem carga
– Carga resistiva linear
– Carga indutiva linear
– Carga não-linear
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Variável Frequência Tensão CC Tensão p.u. THD Harmônicas
Limites
PRODIST
59,9 Hz a
60,1 Hz
0,1% máx
(10 s)
0,93 a 1,05 10% máx Tabeladas
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
S1
IEC 62040
1/5
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3. Ensaio de sobrecarga em modo off-grid
Objetivo: garantir não danificação por sobrecarga breve
Sugestão: 120% de carga por no mínimo 10 s
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
S1
Sobrecarga
IEC 62040
1/5
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4. Ensaio de curto-circuito em modo off-grid
Objetivo: garantir não danificação com curto-circuitos
Sugestão: realizar 2 curto-circuitos separados por 1 minuto de tempo
e verificar se inversor opera normalmente
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargas
S1
IEC 62040
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Inversor híbrido
CargasRede elétricaem contra-fase
S1
5. Ensaio de curto-circuito da saída de tensão com a rede
em modo off-grid
Objetivo: garantir não danificação com curto-circuitos ou falhas
Sugestão: realizar 2 curto-circuitos separados por 1 minuto de tempo
– Defasagem inversor/rede: 180° (monofásico) ou 120° (trifásico)
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
IEC 62109
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6. Ensaio de comutação de cargas em modo off-grid
Objetivo: garantir suprimento da carga durante transitórios
Sugestão: considerar limites da classe 3 da IEC 62040
– Linear resisTva: 33% → 100% e 100% → 33%
– Não linear: 33% → 100% e 100% → 33%
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor
híbrido
V medida
Classe 3 (IEC 62040)
IEC 62040
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7. Ensaio de comutação on-grid → off-grid
Objetivo: garantir suprimento da carga durante transitórios
Sugestão: considerar limites da classe 3 da IEC 62040
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
10 ms
IEC 62040
1/5
48
8. Ensaio de comutação off-grid → on-grid
Objetivo: garantir suprimento da carga durante transitórios
Sugestão: considerar limites da classe 3 da IEC 62040
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
10 ms
IEC 62040
1/5
49
9. Ensaio de qualidade de energia em modo de carga pela rede
Objetivo: garantir qualidade da corrente absorvida da rede para evitar
distúrbios de tensão causados por harmônicos
Sugestão: considerar limites da NBR 16149 para inversores fotovoltaicos
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
Inversor híbrido
GFV
+
-
Cargasprioritárias
S1
Rede
elétrica
NBR16149
OPCIONAL
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10. Ensaio do tempo de reconexão para fornecer energia à rede
Objetivo: garantir que inversor não forneça energia à rede antes do
tempo mínimo de 20 s a 300 s.
– NOTA 1: Ensaio já contemplado para inversores grid-tie
– NOTA 2: Inversor pode funcionar como carga antes do tempo mínimo
Procedimentos de avaliação
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)
...
...0
0
30 st1 t2 Operação on-gridOperação off-grid
Vinv Vrede
iinv irede
Retorno da rede Reconexão
NBR16149
1/5
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• Inversores híbridos = Inversor Grid-tie + UPS
• Chaves internas e externas devem suportar curto-circuitos
• Ensaios podem ser baseados em normas estabelecidas
– NBR 16149
– IEC 62109
– PRODIST
– IEC 62040
• Inversores híbridos → podem contribuir para o sistema
elétrico através do armazenamento de energia
dependendo da normatização definida
Conclusões
Workshop inversores híbridos com armazenamento de energia (nov 2015)