Abstract— Solar Energy is clean, renewable and applicable in every place with a good solar incidence such as Brazil. The photovoltaic system is generally composed by photocells which are able to produce direct current through solar light incidence and, when connected to the grid, it needs an inverter to convert direct current in alternate current. This equipment can bring negative impact in the power quality provided from the main grid, such as voltage oscillation and harmonic distortion. In this context, this article presents an analysis of power quality using a quality analyzer on a photovoltaic system connected to the local distribution grid. All measurements were realized in a residential 3.38 kWp-photovoltaic system with an inverter. Harmonic spectrum were measured and analyzed based on the limits established in PRODIST Module 8 and IEEE 519 at the connection point of common coupling (PCC).

Keywords— Power Quality; Distributed Generation; Photovoltaic Systems; Harmonic Distortion.

I. INTRODUÇÃO energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia não poluente, renovável e que pode ser aplicada em diversos

locais onde os índices de radiação solar sejam suficientes para suprir a demanda desejada. O Brasil, por ser um país tropical, possui um grande potencial para geração de eletricidade a partir do sol. A incidência solar no Brasil é superior a países como Alemanha e Espanha, líderes em capacidade instalada de geração distribuída fotovoltaica. Porém, a capacidade instalada ainda é bem inferior quando comparada a estes outros dois países [1]. Embora com pequena capacidade instalada, o Brasil vem buscando acompanhar o desenvolvimento internacional do setor fotovoltaico, na tentativa de superar as barreiras, através de um conjunto de ações para inserção da fonte na matriz brasileira. Dentre os avanços alcançados nos últimos anos, vale destacar: financiamento e fomento econômico para as empresas brasileiras; apoio aos consumidores que consumirem o valor mínimo de eletricidade solar, e principalmente as Resoluções Normativas nº 481[2] e 482[3] da ANEEL que regulamentam, respectivamente, descontos na TUSD (Tarifa de Uso dos Sistemas Elétricos de Distribuição e TUST (Tarifa

M.C.C. Leite, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brazil, marceloleite@id.uff.br.

F.A.M. Leite, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brazil, francoamv@gmail.com.

V.B.Silva, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brazil, vinicius_bravo@id.uff.br

M.Z.Fortes, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brazil, mzf@vm.uff.br.

D.H.N. Dias, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brazil, dhndias@id.uff.br.

de Uso dos Sistemas Elétricos de Transmissão) para a geração solar de grande porte e o sistema de compensação para os mini e microgeradores, possibilitando a inserção da geração descentralizada distribuída no Brasil [1-4].

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCR) podem ser centralizados ou descentralizados. A Agência Nacional Energia Elétrica (ANEEL) define, na REN 687/2015 [5], que esses sistemas podem ser classificados em duas categorias:

• Microgeração: potência instalada até 75 kW; • Minigeração: potência instalada entre 0,075 e 5 MW. As unidades de geração de energia descentralizadas

conectadas ao nível de rede de distribuição ou próximas ao usuário final podem ser definidas como geração distribuída (GD) [6]. A GD, devido à localização junto ao ponto de consumo, possui como principais vantagens em relação a geração centralizada, a diminuição das perdas com transmissão e a redução de investimentos no sistema de distribuição [7]. A potência de pico do sistema fotovoltaico analisado neste trabalho é de 3,38 kWp, dessa forma, caracterizado como microgeração. Os sistemas de microgeração solar fotovoltaica são normalmente instalados nos telhados de edificações (residenciais e comerciais) que podem suprir total ou parcialmente o consumo de eletricidade da unidade consumidora e até mesmo fornecer a energia excedente à concessionária local [8].

O sistema solar fotovoltaico é composto basicamente por módulos fotovoltaicos responsáveis pela produção de energia elétrica em corrente contínua através da irradiação solar. Para a interface desse sistema com a rede elétrica, é necessária a presença de um inversor de frequência. Esse equipamento, que possui uma característica não-linear [9], inverte a característica da corrente para alternada, o que pode trazer alguns impactos negativos na qualidade da energia fornecida pela rede principal, como flutuação de tensão e distorção harmônica [10]. Em contrapartida, o inversor pode ser utilizado para compensar harmônicos gerados por cargas não lineares da própria instalação e regulação dos níveis de tensão, melhorando a qualidade de energia da rede [11].

Existem diversas normas e procedimentos a serem cumpridos para a conexão de sistemas fotovoltaicos na rede elétrica a fim de manter o padrão de qualidade de energia. No Brasil, a norma referência é o módulo 8 – Qualidade de Energia Elétrica do PRODIST (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional) [12] que será utilizada para a análise dos harmônicos de tensão. Já para a análise das distorções harmônicas geradas por corrente serão utilizada a norma IEEE 519 [13] e IEEE 1547 [14]. Neste artigo será apresentada a análise de qualidade de energia de

M.C.C. Leite, F.A.M. Vieira, V.B. Silva, M.Z. Fortes, Senior Member, IEEE and D.H.N.Dias

Harmonic Analysis of a Photovoltaic Systems Connected to Low Voltage Grid

A

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um sistema solar fotovoltaico conectado à rede elétrica secundária de distribuição. As medições foram realizadas utilizando um analisador de qualidade de energia em um sistema solar fotovoltaico instalado em um escritório comercial. Foram medidos e analisados os espectros harmônicos de tensão e corrente no ponto de conexão do sistema fotovoltaico e também o espectro harmônico de corrente da instalação antes e após a inserção do mesmo.

O principal objetivo do trabalho é avaliar se as distorções harmônicas totais e individuais estão abaixo dos valores estipulados pelas normas de referência [11] e assim apresentar em uma visão geral um modelo de avaliação para conexão de micro geradores a rede. Exemplos de estudos sobre impacto de novas tecnologias (cargas) a rede de distribuição estão apresentados em [15-17].

II. DESCRIÇÃO DO SISTEMA E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS O sistema fotovoltaico possui um arranjo com 13 módulos de silício policristalino conectados em série, que fornecem uma potência nominal instalada de 3,38 kWp, , e um inversor de dois estágios CC/CA de 3 kW de potência nominal.

A instalação possui as seguintes características: • Aproximadamente 228° de orientação; • 10,2° de inclinação com relação ao eixo horizontal; • Coordenadas: -22.976327, -43.227103; • Local: Gávea, Rio de Janeiro – RJ;

• Radiação média do Estado: 1,7 MW/m² por ano. A Fig. 1 apresenta a configuração adotada do sistema fotovoltaico analisado neste trabalho.

Figura 1 – Sistema Fotovoltaico conectado na Rede Elétrica.

A. Arranjo Fotovoltaico O arranjo fotovoltaico é constituído por 13 módulos de

silício policristalino associados em série de forma a elevar o nível de tensão de saída aos valores mínimos exigidos pelo inversor de frequência. Além disso, esta topologia diminui os custos com cabos elétricos já que o nível de corrente CC é menor quando comparado a uma associação de módulos em paralelo. A Fig. 2 mostra alguns dos módulos dispostos no telhado do escritório estudado caracterizando uma instalação típica.

O modelo do módulo utilizado foi o CS6P-260P [18] e suas características nas Condições Padrão de Teste (STC 2 – Standard Test Conditions), de acordo com o fabricante [8], são:

• Potência nominal: 260 Wp; • Tensão de circuito aberto: 37,5V; • Corrente de curto-circuito: 9,12; • Tensão de máxima potência: 30,4 V; • Corrente de máxima potência: 8,56 A;

• Número de células: 60; • Peso: 18 kg; • Dimensões: 1638 mm x 982 mm; • Registro INMETRO 002865/2014.

Figura 2 – Módulos fotovoltaicos instalados no telhado do local de

medição.

B. Características do Inversor O inversor utilizado para realização da interface do sistema

fotovoltaico com a rede foi o PVI-3.0[19], mostrado na Fig 3.

Figura 3 – Inversor utilizado no SFCR. Segundo a documentação do fabricante [19], as

especificações do inversor são: • Potência nominal na saída: (Pca-nom): 3000 W; • Potência máxima na saída (Pca-max): 3200 W; • Tensão da rede: 180-264 V; • Frequência da rede: 59.5-60.5 Hz; • Distorção harmônica total: < 3,5 %; • Tensão CC de entrada – faixa de MPPT: 200-470 V; • Tensão máxima CC de entrada: 500 V; • Corrente máxima CC de entrada: 12 A;

CUNHA CLARK LEITE et al.: HARMONIC ANALYSIS 113

• Consumo próprio: 8 W; • Eficiência máxima: 96,3 %; • Registro INMETRO 001133/2016. Este inversor apresenta uma topologia de conversão em

dois estágios. O primeiro estágio do inversor é composto por um conversor CC/CC responsável pela otimização da energia produzida pelos módulos fotovoltaicos. Neste conversor, a tensão de entrada é ajustada de forma a manter a máxima potência do conjunto (MPPT – Maximum Power Point Tracking) [20-21]. O segundo estágio é caracterizado por um conversor CC/CA, cujas funções principais são a conversão de corrente contínua para alternada e o sincronismo com a rede elétrica [11]. O inversor possui conexão bifásica – 220 V – nessa unidade consumidora. A Fig.4 ilustra a conexão típica (em blocos) utilizada neste estudo.

Figura 4 – Inversor com dois estágios de processamento de energia.

C. Características do Analisador de Harmônico O modelo do analisador de harmônico foi 3P4W Power

Analyzer Test [22]. As características descritas em [23] estão de acordo com a norma utilizada como referência [12].

a) taxa amostral: 64 amostras/ciclo; b) precisão: 1% da leitura. Na Fig. 5, é demonstrado à conexão do sistema de

aquisição de dados no ponto de acoplamento do local com a rede elétrica da distribuidora local.

Figura 5 – Foto da conexão do sistema de aquisição de dados no ponto de

entrega de energia pela concessionária.

III. METODOLOGIA A análise do sistema apresentada neste artigo utiliza a

metodologia apresentada em [8]. Tal documento tem por objetivo definir os procedimentos referentes à qualidade da energia elétrica e do serviço prestado pelas concessionárias. Os valores e parâmetros referenciados neste módulo são relativos à conformidade da tensão e as perturbações nas formas de onda como, por exemplo, níveis nominais de tensão, fator de potência, distorção harmônica e variações na frequência. No entanto, neste artigo serão abordados somente os distúrbios relativos à distorção harmônica de tensão e corrente.

Em [8] está definido que “as distorções harmônicas são fenômenos associados com deformações nas formas de onda das tensões e correntes em relação à onda senoidal da frequência fundamental”. As expressões para os cálculos da distorção harmônica individual de tensão e distorção harmônica total de tensão são descritas na Eqs. 1 e 2.

100.%1VVDIT h

h = (1)

100.1

2

2max

V

VDTT

h

hh∑

== (2)

Onde: DITh - Distorção harmônica individual; DTT - Distorção harmônica total; Vh- Tensão harmônica de ordem h; V1- Tensão fundamental medida. Os valores das DITh indicados no módulo 8 do PRODIST

devem ser obedecidos, já a DTT não deve ser superior a 10% para sistemas alimentados por fonte de tensão de valores nominais menores ou iguais a1kV.

Nas referências [13] e [14] são apresentados documentos que auxiliam na instalação de sistemas de microgeração. Em [13] é apresentado especificamente um guia para o projetista seguir como orientação antes de conectar a nova instalação na rede da distribuidora. Nela encontram-se recomendações para limites de harmônicos, distorção de corrente de acordo com o nível de tensão. Em [24] especificam-se os critérios para estudos dos impactos da geração distribuída conectada na rede de distribuição.

IV. ANÁLISE DE RESULTADOS Para obtenção dos dados foram realizadas medidas, tanto no

ponto de conexão entre o sistema fotovoltaico e a rede elétrica como no quadro elétrico principal da instalação.

114 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 16, NO. 1, JAN. 2018

A. Análise da qualidade da energia fornecida pelo inversor Para realizar a aquisição dos dados, o instrumento

analisador de energia foi conectado ao inversor de acordo com o diagrama da Fig. 6.

Figura 6 – Diagrama da conexão do sistema de aquisição de dados na

saída do inversor [11]. A parte indicada por SOURCE SIDE representa a fonte de

energia – saída do inversor fotovoltaico – e o LOAD SIDE representa a carga instalada na unidade consumidora.

Foram adquiridos dados dos harmônicos de tensão e corrente durante quatro faixas de potência gerada. As medições são apresentadas na Tabela I.

TABELA I

HARMÔNICOS DE TENSÃO E CORRENTE APRESENTADOS NA SAÍDA DO INVERSOR

FaseA FaseB FaseA FaseB3 5,84 5,84 1,02 1,135 6,76 6,76 1,37 1,477 6,94 6,94 1,48 1,559 7,04 7,04 1,71 1,64

THD(%)1-31 7,09 7,09 2,60 2,373 1,90 1,97 0,60 1,495 2,22 2,15 1,00 1,597 2,33 2,21 1,06 1,649 2,38 2,23 1,36 1,86

THD(%)1-31 2,52 2,27 2,24 2,293 1,78 1,85 0,56 1,415 2,09 2,02 0,94 1,497 2,19 2,08 1,00 1,549 2,24 2,10 1,28 1,75

THD(%)1-31 1,93 1,85 0,51 0,803 1,62 1,68 0,51 1,285 1,90 1,84 0,86 1,367 2,00 1,89 0,91 1,409 2,04 1,91 1,17 1,59

THD(%)1-31 1,75 1,68 0,47 0,73

Legenda: <3,5% >5%

2670

1950

1300

210

PotênciaOutputInversor(W)

HarmônicoCorrenteTHD-F(%)

TensãoTHD-F(%)

OutputInversor

Os harmônicos de corrente obtidos com a menor produção de potencia do inversor (210 W) estão representados na Tabela II.

TABELA II

HARMÔNICOS DE CORRENTE MEDIDOS COM A MENOR POTÊNCIA ATIVA GERADA PELO SISTEMA FOTOVOLTAICO ( 210 W)

ORDEM HARMÔNICA % 3 5,84 5 6,76 7 6,94 9 7,04

11 7,06 13 7,07 15 7,08 17 7,08 19 7,08 21 7,08 23 7,08 25 7,08 27 7,08 29 7,08 31 7,09

Para comparação apresentam-se na Tabela III os harmônicos de corrente obtidos com a maior produção de potencia do inversor (2.670 W).

TABELA III HARMÔNICOS DE CORRENTE MEDIDOS COM A MENOR POTÊNCIA ATIVA

GERADA PELO SISTEMA FOTOVOLTAICO (2.670 W) ORDEM HARMÔNICA %

3 1,62 5 1,9 7 2 9 2,04

11 2,05 13 2,06 15 2,07 17 2,07 19 2,07 21 2,07 23 2,07 25 2,09 27 2,09 29 2,09 31 2,09

B. Análise da Qualidade de Energia do Quadro Elétrico Primário da Instalação Para realizar a aquisição dos dados, o instrumento

analisador de energia foi conectado ao quadro geral de baixa tensão (QGBT) de acordo com o diagrama da Fig. 7.

De forma semelhante à primeira medição, a parte indicada por SOURCE SIDE representa a fonte de energia – rede elétrica da concessionária – e o LOAD SIDE representa a carga instalada na unidade consumidora.

A Tabela IV contém a compilação das informações relativas às harmônicas ímpares de corrente obtidas no quadro elétrico primário da instalação antes e após a inserção do sistema solar fotovoltaico com diferentes níveis de geração de energia.

CUNHA CLARK LEITE et al.: HARMONIC ANALYSIS 115

Figura 7 – Diagrama da conexão do sistema de aquisição de dados no

QGBT [11].

TABELA IV HARMÔNICOS DE CORRENTE APRESENTADOS NO QGBT

FaseA FaseB FaseC3 1,85 4,54 2,585 2,26 5,17 2,947 2,27 5,22 2,959 2,32 5,24 2,96

THD(%)1-31 2,40 5,37 4,373 1,72 3,16 2,825 2,19 3,93 3,237 2,21 3,96 3,239 2,21 3,96 3,23

THD(%)1-31 2,34 4,19 3,433 1,63 3,00 2,685 2,08 3,74 3,077 2,10 3,76 3,079 2,10 3,76 3,07

THD(%)1-31 2,22 3,98 3,263 1,20 2,21 1,985 1,54 2,75 2,267 1,55 2,77 2,269 1,55 2,77 2,26

THD(%)1-31 1,64 2,93 2,403 1,26 2,32 2,075 1,61 2,89 2,387 1,63 2,91 2,389 1,63 2,91 2,38

THD(%)1-31 1,72 3,08 2,52

QGBT

0

100

750

1.250

2.800

PotênciaOutput

Inversor(W)

Harmônico(%)

CorrenteTHD-F(%)

Nota-se que, após o sistema fotovoltaico ser inserido na

rede, ocorre uma melhora na qualidade de até 30% quando a

potência gerada era 2.800W, caracterizando uma compensação do inversor sobre a instalação.

Os dados de medição da qualidade da energia fornecida pelo inversor indicam que quanto menor a potência de geração, mais elevados são os harmônicos de tensão e corrente. Nota-se que durante a geração de até 10 % da potência nominal do inversor, os harmônicos ultrapassam os valores limites determinados tanto pelo fabricante quanto por [13].

Os harmônicos apresentados durante a medição na segunda potência de referência, representado por aproximadamente 40% da potência nominal do inversor, já se encontram dentro das normas [12] e [13].

Nas medições com maior potência de geração, os valores dos harmônicos continuam em queda, obedecendo às normas em vigor.

Com relação à medição no QGBT, o resultado foi ainda mais satisfatório. A unidade consumidora onde foram realizados os testes possui diversas cargas, como aparelhos de ar condicionado, iluminação e microcomputadores, que costumam apresentar distorções harmônicas de corrente elevadas. Com a inserção do sistema solar fotovoltaico, quanto maior a potência injetada, menor o harmônico de corrente medido na instalação.

V. CONCLUSÕES Tendo em vista os aspectos relacionados a QEE, e mais

especificamente harmônicos observados neste estudo, pode-se concluir que os valores encontrados nas medições atendem as normas vigentes na grande maioria das faixas de potência gerada. Em virtude do crescimento exponencial da inserção de sistemas fotovoltaicos no Brasil, o fato dos inversores atenderem as normas vigentes é de suma importância e reflete em tranquilidade e assertividade ao mercado.

Demonstrou-se neste artigo que os equipamentos comercializados no Brasil possuem desempenho adequado as normatizações internacionais e nacionais, com impacto dentro de limites estabelecidos e estão acompanhando o desempenho da tecnologia comercializada nos países mais desenvolvidos.

Cabe salientar que o equipamento testado e avaliado neste experimento possui certificação de qualidade, e devido a esta característica atende aos requisitos indicados e esta deve ser a preocupação principal dos profissionais que estão atuando no mercado, para manter as redes de distribuição com impactos mínimos na qualidade de energia causados por pequenos sistemas de geração de energia instalados nos consumidores. A instalação de equipamentos não certificados, ou quando da avaria de partes do sistema substituir por outros de menor custo mas, com desempenho não assegurado por órgãos certificadores pode comprometer em uma visão futura da aplicação massiva de sistemas fotovoltaicas a qualidade de energia na rede de distribuição.

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Marcelo Cunha Clark Leite graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal Fluminense (UFF) em 2016. Atualmente é engenheiro eletricista na área de energias renováveis com foco em sistemas fotovoltaicos e aluno de mestrado no Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Telecomunicações pela

Universidade Federal Fluminense (UFF).

Franco Alisson Martins Vieira graduou-se em Engenharia Elétrica pelo Instituto Federal do Espírito Santo (2013). Atualmente é engenheiro eletricista na Marinha do Brasil na área de projetos elétricos de navios e aluno de mestrado no Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Telecomunicações pela Universidade Federal Fluminense (UFF).

Vinícius Bravo da Silva graduou-se em engenharia elétrica pela Universidade Federal Fluminense( UFF) em 2016. Atua como bolsista de mestrado no Centro de Pesquisa de Engenharia Elétrica (CEPEL) com implementações no software de Análise de Faltas Simultâneas (ANAFAS) e é aluno de mestrado no Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e

de Telecomunicações pela Universidade Federal Fluminense (UFF).

Márcio Zamboti Fortes (M´2010, SM´2017) recebeu o titulo de Mestre em Engenharia da energia pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) em 2000 e de Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo (USP) em 2007. Atualmente é professor da Universidade Federal Fluminense (UFF) e desenvolve estudos nas áreas de: conservação e qualidade de energia, manutenção industrial, máquinas

elétricas e acionamentos.

Daniel Henrique Nogueira Dias possui graduação em Fisica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2003), mestrado em Física pela Universidade Federal Fluminense (2005), Doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2009) com período sanduíche em Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresdenng Dresden (2008) e graduação em Engenharia Elétrica

pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2011). Atualmente é professor da Universidade Federal Fluminense no Departamento de Engenharia Elétrica. Tem experiência na área de de Sistemas de Potência, atuando principalmente nos seguintes temas: Aplicação de materiais supercondutores para desenvolvimento de dispositivos elétricos e sistemas de geração fotovoltaicos.

CUNHA CLARK LEITE et al.: HARMONIC ANALYSIS 117