Integração Solar: Fundamentos de Inversores e Serviços de Rede

O QUE SÃO INVERSORES?

Um inversor é um dos equipamentos mais importantes em um sistema de energia solar. É um dispositivo que converte eletricidade de corrente contínua (CC), que é gerada por um painel solar, em eletricidade de corrente alternada (CA), usada pela rede elétrica. Em DC, a eletricidade é mantida em tensão constante em uma direção. Em CA, a eletricidade flui em ambas as direções no circuito à medida que a tensão muda de positivo para negativo. Os inversores são apenas um exemplo de uma classe de dispositivos chamadaeletrônica de potência that regulate the flow of electrical power.

Fundamentalmente, um inversor realiza a conversão CC para CA alternando a direção de uma entrada CC para frente e para trás muito rapidamente. Como resultado, uma entrada DC torna-se uma saída AC. Além disso, filtros e outros componentes eletrônicos podem ser usados ​​para produzir uma tensão que varia como uma onda senoidal limpa e repetida que pode ser injetada na rede elétrica. A onda senoidal é uma forma ou padrão que a voltagem cria ao longo do tempo, e é o padrão de energia que a rede pode usar sem danificar o equipamento elétrico, que é construído para operar em certas frequências e voltagens.

Os primeiros inversores foram criados no século XIX e eram mecânicos. Um motor giratório, por exemplo, seria usado para alterar continuamente se a fonte CC estava conectada para frente ou para trás. Hoje fazemos interruptores elétricos de transistores, dispositivos de estado sólido sem partes móveis. Transistores são feitos de materiais semicondutores como silício ou arsenieto de gálio. Eles controlam o fluxo de eletricidade em resposta a sinais elétricos externos.

Se você possui um sistema solar doméstico, seu inversor provavelmente executa várias funções. Além de converter sua energia solar em energia CA, ele pode monitorar o sistema e fornecer um portal para comunicação com redes de computadores. Os sistemas de armazenamento de bateria Solar-plus dependem de inversores avançados para operar sem qualquer suporte da rede em caso de interrupções, se forem projetados para isso.

RUMO A UMA GRADE BASEADA EM INVERSOR

Historicamente, a energia elétrica tem sido predominantemente gerada pela queima de combustível e criação de vapor, que então gira um gerador de turbina, que gera eletricidade. O movimento desses geradores produz energia CA à medida que o dispositivo gira, o que também define a frequência ou o número de vezes que a onda senoidal se repete. A frequência de energia é um indicador importante para monitorar a integridade da rede elétrica. Por exemplo, se houver muita carga - muitos dispositivos consumindo energia - a energia será removida da rede mais rapidamente do que pode ser fornecida. Como resultado, as turbinas desacelerarão e a frequência CA diminuirá. Como as turbinas são objetos giratórios maciços, elas resistem a mudanças na frequência, assim como todos os objetos resistem a mudanças em seu movimento, uma propriedade conhecida como inércia.

À medida que mais sistemas solares são adicionados à rede, mais inversores estão sendo conectados à rede do que nunca. A geração a base de inversor pode produzir energia em qualquer frequência e não possui as mesmas propriedades inerciais da geração a vapor, porque não há turbina envolvida. Como resultado, a transição para uma rede elétrica com mais inversores requer a construção de inversores mais inteligentes que possam responder a mudanças na frequência e outras interrupções que ocorrem durante as operações da rede e ajudar a estabilizar a rede contra essas interrupções.

SERVIÇOS DE REDE E INVERSORES

Os operadores de rede gerenciam o fornecimento e a demanda de eletricidade no sistema elétrico, fornecendo uma variedade de serviços de rede. Os serviços de rede são atividades que os operadores da rede realizam para manter o equilíbrio de todo o sistema e gerenciar melhor a transmissão de eletricidade.

Quando a rede deixa de se comportar conforme o esperado, como quando há desvios de tensão ou frequência, os inversores inteligentes podem responder de várias maneiras. Em geral, o padrão para pequenos inversores, como aqueles conectados a um sistema solar doméstico, é permanecer ligado durante ou “passar” por pequenas interrupções de tensão ou frequência, e se a interrupção durar muito tempo ou for maiores que o normal, eles se desconectarão da rede e desligarão. A resposta de frequência é especialmente importante porque uma queda na frequência está associada ao desligamento inesperado da geração. Em resposta a uma alteração na frequência, os inversores são configurados para alterar sua potência de saída para restaurar a frequência padrão. Os recursos baseados no inversor também podem responder a sinais de um operador para alterar sua saída de energia à medida que outras fontes e demandas no sistema elétrico flutuam, um serviço de rede conhecido como controle de geração automática. Para fornecer serviços de rede, os inversores precisam ter fontes de energia que possam controlar. Isso pode ser geração, como um painel solar que está produzindo eletricidade no momento, ou armazenamento, como um sistema de bateria que pode ser usado para fornecer energia armazenada anteriormente.

Outro serviço de grade que alguns inversores avançados podem fornecer é a formação de grade. Os inversores formadores de grade podem iniciar uma grade se ela cair - um processo conhecido como black start. Os inversores tradicionais de seguimento da rede requerem um sinal externo da rede elétrica para determinar quando a comutação ocorrerá para produzir uma onda senoidal que pode ser injetada na rede elétrica. Nesses sistemas, a energia da rede fornece um sinal que o inversor tenta igualar. Inversores formadores de grade mais avançados podem gerar o sinal por conta própria. Por exemplo, uma rede de pequenos painéis solares pode designar um de seus inversores para operar no modo de formação de rede, enquanto o restante segue seu exemplo, como parceiros de dança, formando uma rede estável sem nenhuma geração baseada em turbina.

A potência reativa é um dos serviços de rede mais importantes que os inversores podem fornecer. Na grade, a voltagem – a força que empurra a carga elétrica – está sempre alternando para frente e para trás, assim como a corrente – o movimento da carga elétrica. A energia elétrica é maximizada quando a tensão e a corrente são sincronizadas. No entanto, pode haver momentos em que a tensão e a corrente tenham atrasos entre seus dois padrões alternados, como quando um motor está funcionando. Se eles estiverem fora de sincronia, parte da energia que flui pelo circuito não pode ser absorvida pelos dispositivos conectados, resultando em perda de eficiência. Mais potência total será necessária para criar a mesma quantidade de potência “real” – a potência que as cargas podem absorver. Para neutralizar isso, as concessionárias fornecem energia reativa, o que traz a tensão e a corrente de volta ao sincronismo e torna a eletricidade mais fácil de consumir. Essa potência reativa não é usada em si, mas torna útil outra potência. Os inversores modernos podem fornecer e absorver energia reativa para ajudar as redes a equilibrar esse importante recurso. Além disso, como a energia reativa é difícil de transportar por longas distâncias, os recursos de energia distribuída, como telhado solar, são fontes especialmente úteis de energia reativa.

TIPOS DE INVERSORES

Existem vários tipos de inversores que podem ser instalados como parte de um sistema solar. Em uma usina de utilidade pública de grande escala ou em um projeto solar comunitário de médio porte, cada painel solar pode ser conectado a um únicoinversor central. Corda inverters connect a set of panels—a string—to one inverter. That inverter converts the power produced by the entire string to AC. Although cost-effective, this setup results in reduced power production on the string if any individual panel experiences issues, such as shading. Microinversores are smaller inverters placed on every panel. With a microinverter, shading or damage to one panel will not affect the power that can be drawn from the others, but microinverters can be more expensive. Both types of inverters might be assisted by a system that controls how the solar system interacts with attached battery storage. Solar can charge the battery directly over DC or after a conversion to AC.