Objetivo

     Explicar de forma simples e direta por que  a tensão eleva em sistemas fotovoltaicos conectados à rede e como diminuir esse efeito.

Por que a tensão eleva?

     Quando o inversor injeta corrente, devido as impedâncias do circuito (cabos, trafos, conexões, etc), existe uma queda de tensão proporcional ao valor da corrente e da impedância total do circuito (lei de Ohm), a queda de tensão que ocorre no circuito é somada à tensão da rede (já que o inversor é uma fonte e não uma carga), portanto, o inversor precisa elevar a sua tensão para se igualar ao novo valor de tensão para continuar injetando corrente.

O que diz a norma?

     A norma que deve ser levada em consideração, quanto à elevação de tensão, é a ABNT:NBR 16149 - Sistemas fotovoltaicos - Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição.
     A ABNT:NBR 16149 estabelece no item 5.2.1 como valor máximo de tensão 110% do valor nominal da rede por 0,2 segundos. Em casos específicos onde a elevação está ultrapassando ou poderá ultrapassar esse valor, e já foram tomadas todas as providências possíveis na instalação da unidade consumidora, a concessionária deve ser consultada para efetuar as correções necessárias na rede (alteração do TAP do transformador, substituição de cabos, inspeção das conexões, etc).
     É importante resaltar que valores de tensão superiores aos estabelecidos pela norma podem trazer riscos aos equipamentos instalados na unidade consumidora, bem como, em unidades consumidoras próximas.

O que posso fazer para minimizar a elevação da tensão?

1 - Diminuir a impedância do circuito

O primeiro passo para diminuir a elevação de tensão é diminuir a impedância do circuito. Para isso, basta seguir algumas recomendações simples:
    ☛ Dimensionar os cabos corretamente. Além do dimensionamento correto, o
           sobre  dimensionamento pode ser um aliado em condições mais críticas, como
           redes rurais, por exemplo.
    ☛ Diminuir ao máximo a quantidade de conexões nos cabos, desde o inversor até
           o  ponto de entrega da concessionária. Cada ponto de conexão, por melhor
           que seja,  cria resistência, aumentando a impedância do circuito.
    ☛ Nas instalações que fazem uso de transformador, selecionar o transformador
         com a menor impedância possível
. Além da impedância característica do
         transformador, existe o fenômeno da impedância refletida, inerente à qualquer
         transformador. A imagem abaixo mostra o conceito da impedância refletida.
         Basicamente a impedância do primário é igual a impedância do
         secundário multiplicada pelo quadrado da relação de transformação (Espiras do
         Primário/Espiras do secundário). Nesse caso temos dois cenários possíveis:
              Conexão de um inversor 220V em uma rede 380V:
                 Nesse caso a impedância da rede será refletida como          
                 proximadamente  1/3 do seu valor (Relação de transformação 220/380=
                 0.58 - quadrado da relação de transformação= 0.33).
              Conexão de um inversor 380V em uma rede 220V:
                 Nesse caso a impedância da rede será refletida como
                aproximadamente 3 vezes o seu valor (Relação de transformação 380/220=
                1.73 - Quadrado da relação de transformação= 2.98).

2 - Utilizar as curvas estabelecidas na norma ABNT:NBR 16149

     A ABNT:NBR 16149 estabelece nos itens 4.7.1, 4.7.2 e 4.7.3 as curvas para o fator de potência, e consequentemente para a potência reativa, para sistemas com potência nominal menor ou igual a 3KW, maior que 3KW e menor ou igual a 6KW e maior que 6KW, respectivamente.
     Para sistemas menores ou iguais a 3KW a norma estabelece o fator de potência igual a 1 em toda a faixa de operação, com tolerância de trabalho na faixa de 0,98 indutivo até 0,98 capacitivo.
     Para sistemas maiores que 3KW e menores ou iguais a 6KW a norma estabelece a seguinte curva para o fator de potência em função da potência ativa de saída do inversor: 

     Para sistemas maiores que 6KW a norma preve duas possibilidades de operação: (i) fator de potência igual a 1 com tolerância para trabalhar na faixa de 0,98 indutivo até 0,98 capacitivo. O inversor deve apresentar, como opcional,  a possibilidade de operar de acordo com a curva da do item 4.7.2 (imagem acima); (ii) controle da potência reativa, conforme a imagem abaixo:

     Quando são aplicadas as curvas contempladas na norma, além de evitar a importação excessiva de potência reativa da rede a corrente injetada pelo inversor é defasada em relação a tensão (quanto maior a corrente injetada, maior é o defasamento), portanto, a queda de tensão na impedância do circuito também está defasada e o resultado final não é exatamente a soma das duas, pois os picos não ocorrem ao mesmo tempo. As duas imagens abaixo exemplificam esse comportamento:
     Na primeira imagem temos o resultado de um inversor operando com o fator de
     potência igual a 1, dessa forma a tensão da rede e a queda de tensão na
     impedância do circuito estão em fase, ou seja, os picos ocorrem simultâneamente.      Nesse caso temos os seguintes resultados:
           - Tensão de pico da rede: 196V
           - Tensão de pico da queda de tensão na impedância do circuito: 69V
           - Tensão de pico do resultado da soma das duas tensões:  265V 

     Na segunda imagem temos o resultado de um inversor operando com o fator de
     potência igual a 0.95, dessa forma a tensão da rede e a queda de tensão na
     impedância do circuito não estão em fase, ou seja, os picos não ocorrem
     simultâneamente.      
     Nesse caso temos os seguintes resultados:
           - Tensão de pico da rede: 196V
           - Tensão de pico da queda de tensão na impedância do circuito: 69V
           - Tensão de pico do resultado da soma das duas tensões: 248V  

     É possível observar que, nas mesmas condições de operação, o resultado final do inversor com o fator de potência ajustado para 1 é 17V maior que o inversor com o fator de potência ajustado para 0.95. Transformando os valores para valores RMS temos uma diferença de  aproximadamente 12Vrms na elevação da tensão nas mesmas condições de geração.

Conclusão

     Existem muitos fatores que determinam a impedância dos circuitos elétricos e, consequentemente, o nível de elevação da tensão em um SFCR, porém utilizando boas práticas de projeto e instalação, juntamente com a configuração correta dos inversores (utilizando as curvas de alteração do fator de potência contidas na própria norma) é possível diminuir o impacto da elevação da tensão em qualquer SFCR.

Bibliografia

http://people.clarkson.edu/~jsvoboda/eta/acWorkout/transformers.pdf

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