Compreendendo os inversores solares conectados à rede: um guia completo

 

A chave para o sucesso de um sistema de energia solar é o inversor solar conectado à rede, um dispositivo sofisticado que integra perfeitamente a energia solar à rede elétrica existente. O inversor solar atua como uma ponte entre os painéis solares e a rede, convertendo a eletricidade de corrente contínua (CC) produzida pelos painéis em eletricidade de corrente alternada (CA), que pode ser usada para abastecer residências, empresas e indústrias.

O que é um inversor conectado à rede e como ele funciona?

Basicamente, um inversor solar conectado à rede é um dispositivo que converte a eletricidade de corrente contínua (CC) gerada por painéis solares em eletricidade de corrente alternada (CA), que pode ser alimentada na rede elétrica.

Painéis solares instalados em telhados ou espaços abertos absorvem a luz solar e a convertem em eletricidade CC. Essa eletricidade CC então flui para um inversor solar conectado à rede, onde passa por um processo chamado inversão.

Durante a inversão, a eletricidade CC é convertida em eletricidade CA. Isso é realizado por meio de uma série de componentes eletrônicos dentro do inversor, incluindo transistores e capacitores, que manipulam o fluxo de corrente para produzir a saída desejada. Uma vez convertida, a eletricidade é sincronizada com a frequência e a tensão da rede elétrica, permitindo uma integração perfeita com a infraestrutura elétrica existente.

Principais componentes de um inversor solar conectado à rede

Os principais componentes de um inversor solar conectado à rede são:

1-Entrada CC: Recebe a corrente contínua gerada pelos painéis solares.

2-Circuito inversor: Converte CC em CA, normalmente usando uma chave liga/desliga (como um IGBT ou MOSFET) para alternar a corrente.

3-Controlador de Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (MPPT): Monitora a saída dos painéis solares e ajusta automaticamente o status operacional do inversor para garantir que o sistema sempre opere no ponto de máxima potência.

4-Saída CA: Envia a eletricidade CA convertida para a rede elétrica ou para uso doméstico.

5-Filtro: Elimina o ruído de alta frequência gerado durante o processo de inversão para garantir a qualidade e a estabilidade da corrente de saída.

6-Circuito de controle: Monitora e controla o inversor para garantir que ele opere dentro de limites seguros e fornece mecanismos de proteção.

7-Sistema de resfriamento: Utiliza ventiladores e dissipadores de calor para manter o inversor na temperatura normal de operação e evitar superaquecimento.

8-Interface de Comunicação: Oferece recursos de monitoramento em tempo real, facilitando a transmissão de dados com dispositivos externos (sistemas de monitoramento, medidores inteligentes, etc.).

9-Dispositivos de Proteção: Garantem a segurança do inversor e da rede elétrica, incluindo proteção contra sobrecarga, curto-circuito e surtos.

Esses componentes trabalham em conjunto para permitir que inversores solares conectados à rede convertam energia solar em eletricidade CA utilizável de forma eficiente e segura.

Prós e Contras dos Inversores Conectados à Rede

Vantagens dos inversores conectados à rede:

Alta Eficiência: Inversores conectados à rede melhoram significativamente a eficiência da geração de energia solar, operando o sistema fotovoltaico (FV) em seu ponto de potência máxima. Isso reduz problemas associados a "sombreamento" e "pontos quentes", melhorando a eficiência geral do sistema.

Alta Confiabilidade: O inversor conectado à rede possui diversas funções de proteção, como proteção contra sobrecarga, proteção contra superaquecimento, proteção contra curto-circuito na saída CA, etc., para garantir a operação segura do sistema. Os componentes são rigorosamente selecionados e a estrutura do circuito é projetada para atender a diversos requisitos ambientais.

Ampla adaptabilidade: O inversor conectado à rede pode operar normalmente em uma ampla faixa de tensão de entrada CC e manter uma tensão de saída CA estável. É adequado tanto para pequenas instalações fotovoltaicas quanto para uso paralelo em grandes usinas fotovoltaicas.

Baixa distorção: Ao emitir ondas senoidais puras, a taxa de distorção dos inversores conectados à rede é normalmente inferior a 5%, garantindo alta qualidade da energia elétrica de saída.

Alta precisão de regulação de tensão: A precisão de saída dos inversores conectados à rede em condições de carga nominal geralmente não é superior a ±3%, garantindo a estabilidade da tensão de saída.

Desvantagens dos inversores conectados à rede:

Custo mais alto: Os inversores conectados à rede oferecem alta eficiência e confiabilidade, mas seu custo é relativamente alto, especialmente em termos de investimento inicial.

Dependência da rede: Os inversores conectados à rede dependem da rede pública, portanto, qualquer falha ou instabilidade na rede pode afetar a operação normal do sistema.

Manutenção complexa: Devido à tecnologia complexa envolvida, os inversores conectados à rede exigem suporte técnico profissional para manutenção e solução de problemas.

2. Como escolher o inversor solar conectado à rede ideal para suas necessidades

Escolher o inversor solar conectado à rede ideal é uma decisão importante que pode ter um impacto significativo no desempenho e na eficiência do seu sistema de energia solar. Com tantas opções no mercado, é importante entender os fatores a serem considerados ao fazer sua escolha.

Tipos de Inversores Solares Conectados à Rede 

Existem vários tipos de inversores solares conectados à rede, cada um com suas próprias características e vantagens. 

 Inversor String: Também conhecido como inversor central, o inversor string é o tipo mais comum de inversor conectado à rede. É adequado para sistemas de geração de energia solar em larga escala e é fácil de instalar e manter. 

Microinversores: Os microinversores são instalados diretamente atrás de cada painel solar e convertem eletricidade CC em eletricidade CA no nível do painel. Eles proporcionam melhor desempenho em condições de sombra ou iluminação irregular e proporcionam maior flexibilidade no projeto do sistema.

 Otimizador de Potência: Os otimizadores de potência são dispositivos instalados no nível do painel para otimizar o desempenho de cada painel solar. Eles trabalham com o inversor central para melhorar a eficiência e o desempenho do sistema.

Inversor Solar Conectado à Rede vs. Inversor Off-Grid 

1-Inversor Solar Conectado à Rede:

 Os inversores solares conectados à rede são projetados para sincronizar com a rede elétrica, permitindo que você retorne o excesso de energia solar à rede e receba crédito ou compensação pela eletricidade gerada. Esses inversores não incluem armazenamento em bateria e usam a rede como fonte de energia reserva durante períodos de baixa incidência solar ou alta demanda de energia. Os sistemas solares conectados à rede são amplamente utilizados em aplicações residenciais e comerciais, pois geralmente são mais econômicos e fáceis de instalar do que os sistemas autônomos. 

2-Inversor autônomo (off-grid): 

 Os inversores off-grid são projetados para sistemas de energia solar autônomos que não estão conectados à rede elétrica. Esses sistemas requerem armazenamento em bateria para armazenar o excesso de energia solar para uso durante períodos de baixa produção solar. Os inversores off-grid são frequentemente usados ​​em áreas remotas ou rurais, onde o acesso à rede é limitado ou indisponível. Eles proporcionam independência energética e autossuficiência, mas exigem dimensionamento e gerenciamento cuidadosos da capacidade da bateria.

Qual sistema é mais adequado para diferentes aplicações e cenários? 

1-Inversor Solar Conectado à Rede: 

 Os sistemas solares conectados à rede são ideais para aplicações residenciais e comerciais onde há acesso à rede e programas de medição líquida disponíveis. Esses sistemas são ideais para proprietários de residências e empresas que buscam reduzir suas contas de energia elétrica, gerar energia renovável e contribuir para um meio ambiente mais limpo.

2-Inversor autônomo: (standalone inverter)

 Sistemas solares autônomos são mais adequados para locais remotos ou ativos autônomos onde o acesso à rede é limitado ou indisponível. Esses sistemas oferecem independência energética e confiabilidade, tornando-os ideais para cabines, trailers, barcos e outras aplicações off-grid onde a conexão à rede é impraticável ou cara.

Qual o papel da medição líquida em sistemas solares conectados à rede? 

A medição líquida é um aspecto fundamental dos sistemas solares conectados à rede, permitindo que proprietários de residências e empresas recebam créditos pelo excesso de energia solar que produzem e exportam para a rede. 

1- Créditos de Energia: No acordo de medição líquida, qualquer excesso de eletricidade gerado pelo sistema solar conectado à rede é exportado para a rede elétrica e creditado na conta do cliente. Isso permite que o cliente compense sua conta de luz usando os créditos para compensar o custo da eletricidade consumida da rede. Faturamento: A medição líquida envolve um acordo de faturamento em que o cliente é cobrado pelo valor líquido de eletricidade consumida da rede, após a contabilização de quaisquer créditos obtidos com o excesso de geração solar. Isso significa que o cliente paga apenas pelo valor "líquido" de eletricidade consumida da rede.

2-Faturamento: A medição líquida envolve um acordo de faturamento em que o cliente é cobrado pelo valor líquido de eletricidade consumida da rede, após a contabilização de quaisquer créditos obtidos com o excesso de geração solar. Isso significa que o cliente paga apenas pelo valor "líquido" de eletricidade consumida da rede.

Como os inversores solares conectados à rede interagem com a rede elétrica por meio da medição líquida? 

Fluxo Bidirecional: Os inversores solares conectados à rede são projetados para facilitar o fluxo bidirecional de eletricidade, permitindo que eles retirem eletricidade da rede quando a geração solar for insuficiente e exportem o excedente de energia solar para a rede durante os períodos de geração excedente. Mecanismo de Medição: Um medidor bidirecional é instalado para medir o fluxo de eletricidade entre a rede e o sistema fotovoltaico conectado à rede. Este medidor registra tanto a eletricidade consumida da rede quanto o excesso de eletricidade exportado para a rede, permitindo faturamento e crédito precisos de acordo com o acordo de medição líquida.

Mecanismo de Medição: Um medidor bidirecional é instalado para medir o fluxo de eletricidade entre a rede e o sistema fotovoltaico conectado à rede. Este medidor registra tanto a eletricidade consumida da rede quanto o excesso de eletricidade exportado para a rede, permitindo faturamento e crédito precisos de acordo com o acordo de medição líquida.

Dynamic Modeling and Controller Design for Grid-Connected Ćuk CCM Inverter with Coupled Inductor 커플드 인덕터기반의 계통 연계형 Ćuk CCM 인버터의 동적 모델링과 제어기 설계

 The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers KIEE Vol. 71, No. 1, p.79-89 Dynamic Modeling and Controller Design for Grid-Connected Ćuk CCM Inverter with Coupled Inductor 커플드 인덕터기반의 계통 연계형 Ćuk CCM 인버터의 동적 모델링과 제어기 설계 김상오

AUTHOR

 (Sang-Oh Kim) 1iD 한병철 (Byeong cheol Han) †iD (School of Electronic and Electrical Engineering,

 Kyungpook National University, Korea.) †Corresponding Author : School of Electronics Engineering, Kyungpook National University, Korea. 

Abstract This paper presents a dynamic modeling and controller design for a grid—connected Ćuk continuous conduction mode (CCM) inverter with a coupled inductor. The primary- and secondary-side inductors of the conventional Ćuk converter are integrated into one coupled inductor in the presented Ćuk CCM inverter, and it reduces the number of passive components. To make the Ćuk CCM inverter with a coupled inductor connected with the grid utility, an output current controller should be designed appropriately. However, the output current control of the presented Ćuk inverter is difficult due to the existence of the right-half plane (RHP) zeros in its transfer function. To solve the problem, a dynamic model of the Ćuk CCM inverter with a coupled inductor is developed and a repetitive controller (RC) coupled with feedback and feedforward controllers is applied to this inverter. A practical design guideline is also presented to select control parameters. Experimental results using a 200-W prototype demonstrate the acceptable performance of the proposed controller.

VIEW FULL PAPER:http://www.tkiee.org/kiee/XmlViewer/f411721

Análisis, diseño y optimización del convertidor CC-CC bidireccional reductor-elevador con acoplamiento magnético-Alba Rodríguez Lorente-Ingeniería eléctrica, electrónica y automática Universidad Carlos III de Madrid

Análisis, diseño y optimización del convertidor CC–CC bidireccional reductor–elevador con acoplamiento magnético -Autor-Alba Rodríguez Lorente Tesis depositada en cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de Doctor en Ingeniería eléctrica, electrónica y automática Universidad Carlos III de Madrid 

 ABSTRACT Due to their ability to absorb, store, and subsequently deliver electrical energy, Energy Storage Systems (ESS) stand out as a solution to many technical problems arising from the need always to have energy available on demand. Among the different ESS technologies, batteries, within the category of electrochemical ESSs, have gained special relevance in recent times, for their exponential deployment in industry, with a rapid improvement in their performance. Studies predict that their use will continue to grow in the upcoming years and that they will play a major role in applications such as renewable energies and electric transport. In general, all applications that interact with the ESSs need to have power converter circuits that control and transform the energy delivered by the ESSs efficiently, according to the needs of the load demanding that energy. Bidirectional converters are especially useful as an interface with the ESSs, since their versatility allows both the control of the power supply to the load and the conditioning of the surplus or recovered energy from the load to recharge the ESSs after having satisfied the original demand. In this context, the research work carried out in this thesis focuses on those power converters that present non–isolated bidirectional DC–DC topologies with Buck–Boost operation as an interface with batteries and other secondary DC energy storage systems. This subset of topologies provides practical advantages in this context of use in terms of power density, and operating capability regardless of the voltage values demanded by the load and the voltage level at the source. From the topologies analysis in the state–of–the–art that meets these requirements, it is concluded that the highest performances are obtained with topologies that allow greater flexibility in modulation, at the cost of increasing the number of components and the control difficulty. This thesis document proposes a new non–isolated bidirectional DC–DC topology with Buck–Boost operation as an interface to electrical energy storage systems, especially batteries. The new topology is called Magnetically Coupled Bidirectional Buck–Boost converter, or MCB3. The proposal aims to achieve good power density and high modulation flexibility, allowing access to advanced modulations aimed at reducing total losses. Of the proposed converter: the operation is analyzed, the optimization through modulation possibilities is studied for both switching and conduction loss reduction, its magnetic components are designed according to a minimum volume criterion, the power stage is dimensioned based on an established specification and, at each step, the theory is validated with simulation and experimental results. Finally, its performance is compared to topological alternatives with which it shares either behavior or field of application.

 VIEW FULL THESIS:https://e-archivo.uc3m.es/entities/publication/b4b8759c-a21a-4f63-9377-04af61fc76c9

Cálculo y diseño de una nueva línea AT aérea de 220 kV-Raúl Romero Arenas Tutor: Raúl Millor Blanco-Grado en Ingeniería Eléctrica -UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

 Abstract 

El presente documento recoge los cálculos necesarios para el diseño correcto de una nueva línea de alta tensión aérea de 220 kV. Esta nueva línea de AT ayudará a evacuar la energía producida en las tres plantas solares fotovoltaicas (Picón I, Picón II y Picón III) que trabajan conjuntamente para producir un total de 150 MW de potencia pico. El punto de partida de la línea en cuestión se encuentra en Porzuna, donde se encuentra el centro de transformación de las plantas fotovoltaicas anteriormente mencionadas, y tiene como destino la nueva subestación eléctrica de transformación, que se plantea construir en un futuro cercano, en Pueblonuevo del Bullaque. Debido al aumento de población en Pueblonuevo del Bullaque y a la construcción de nuevas viviendas a causa del éxodo urbano sufrido en la crisis del coronavirus, dicho pueblo pasa a considerarse una ciudad y de esta forma justificar el nivel de tensión elegido. En los apartados siguientes se ahondarán los elementos que constituyen la línea de AT aérea (describiendo las características constructivas), en el estudio que debe realizarse en relación con la seguridad en la ejecución de la obra y en la valoración del presupuesto estimado del proyecto planteado. Por último, es importante mencionar que para el cálculo de los diferentes apartados se ha utilizado el software Excel, para la ubicación de las localizaciones claves y las mediciones de éstas se utilizará tanto Google Maps, como Google Earth Pro. Con relación a los cálculos más complejos en relación con el diseño de la línea y elección de componentes de ésta, se ha trabajado con el software de cálculo de líneas de IMEDEXSA. 

ABSTRACT

This document contains the calculations necessary for the correct design of a new 220 kV overhead high voltage line. This new HV line will help to evacuate the energy produced in the three solar photovoltaic plants (Picón I, Picón II and Picón III) which work together to produce a total of 150 MW of peak power. The starting point of the line in question is in Porzuna, where the transformation centre of the previously mentioned photovoltaic plants is located, and its destination is the new electrical transformation substation to be built in the near future in Pueblonuevo del Bullaque. Due to the increase in population in Pueblonuevo del Bullaque and the construction of new homes as a result of the urban exodus suffered during the coronavirus crisis, this village is now considered a town, justifying the voltage level chosen. The following sections will go into the elements that make up the overhead HV line (describing the construction characteristics), the study to be carried out in relation to safety in the execution of the construction work and the assessment of the estimated budget for the proposed project. Finally, it is important to mention that Excel software has been used for the calculation of the different sections, and both Google Maps and Google Earth Pro will be used for the location of the key locations and their measurements. With relation to the more complex calculations in relation to the design of the line and the choice of its components, IMEDEXSA's line calculation software has been used.

VIEW FULL PAPER: https://e-archivo.uc3m.es/bitstreams/048d67bc-6b80-4f4c-8bab-b907ce5b622e/download

Cálculo de inductancias propias y mutuas entre secciones de un transformador (específico)-

 Abstract Un transformador de potencia es una máquina eléctrica tridimensional formada por múltiples elementos, que en conjunto no presentan simetría. Esto significa, que si se desea calcular cualquier parámetro de la máquina se debe construir un modelo 3D. Sin embargo, el modelado 3D de un transformador requiere de un hardware y un tiempo del que frecuentemente no se dispone, por ello, tradicionalmente se recure a modelos 2D con simetría axial. En esta memoria se implementará el uso de un modelo 2D del trasformador completo equivalente al modelo 2D axisímetrico convencional en un entorno de software de elementos finitos para el cálculo de las inductancias propias y mutuas de un transformador de potencia. Durante la memoria, se irán estableciendo cada una de las características del modelo 2D del transformador completo, o modelo 2D completo, y cada una de las diferencias que se han tenido que adaptar para su uso. A power transformer is a three-dimensional electric machine formed by multiple elements that in conjunction don’t present any symmetry. This means that for any parameter calculation of the machine a 3D model is needed. However, a 3D model of the transformer requires a heavy hardware resources and some time that aren’t usually available, therefore a 2D model with axial symmetry is used. In this memory a 2D complete model of the transformer will be built as an equivalence of the 2D model with axial symmetry in a software environment for infinite element calculations of self-inductance and mutual inductance. Within this memory, all the characteristics of the 2D complete model of the transformer, or 2D complete model, will be set up alongside all the differences of each model and their adaptation for its usage.

VIEW FULL PAPER: https://e-archivo.uc3m.es/rest/api/core/bitstreams/f3b82de5-417d-44b5-ba8a-63c00fef2685/content