Influência da geração fotovoltaica distribuída na qualidade de energia elétrica: estudos de caso na região sul de Santa Catarina

Abstract

A matriz energética brasileira tem passado por transformações significativas nas últimas décadas. Dentre estas transformações, é notável o aumento de sistemas de geração distribuída (GD) de energia elétrica. A geração solar fotovoltaica (GSFV), dentre as fontes de GD, destaca-se pelo custo acessível de instalação e baixo impacto ambiental. No entanto, apesar dos benefícios, a integração desses sistemas com o sistema de distribuição traz consigo desafios técnicos e financeiros para as distribuidoras de energia do país. Uma das principais preocupações é a influência dessas conexões na qualidade da energia elétrica (QEE), um aspecto de vital importância para todos os utilitários ligados à rede de distribuição, sejam consumidores, agentes de geração ou concessionárias. Esta dissertação se propõe a avaliar os impactos da conexão de sistemas fotovoltaicos com o sistema de distribuição de energia elétrica em cidades do sul de Santa Catarina, atendidas pela concessionária Celesc Distribuição S.A. São investigadas possíveis dificuldades relacionadas à QEE, expressas em desvios de tensão, frequência e fator de potência, que possam afetar o funcionamento dos equipamentos no sistema de distribuição e em consumidores conectados a esse sistema. Para isso, são utilizados dados provenientes de medidores de energia elétrica instalados para medição de perdas não técnicas e para faturamento de energia em consumidores de baixa tensão (BT) e média tensão (MT), bem como em alimentadores de redes de distribuição. A dissertação é dividida em três estudos de caso, cada um abordando um aspecto específico da influência dos sistemas fotovoltaicos na QEE. O primeiro estudo de caso avalia o comportamento do alimentador de distribuição com a maior potência nominal de geração distribuída fotovoltaica instalada na região sul de Santa Catarina. O segundo estudo de caso investigará uma unidade geradora fotovoltaica (UGFV) com potência nominal de 225 kW conectada ao sistema da concessionária. Por fim, o terceiro estudo de caso analisa o comportamento de 16 diferentes UGFVs atendidas em BT, bem como dos cinco transformadores de distribuição aos quais essas unidades estão conectadas. A coleta de dados é realizada por meio de medidores inteligentes de energia elétrica, que monitoram em tempo real medições de potência consumida e excedente, tensão, corrente, frequência e fator de potência. Após a coleta de dados em períodos selecionados, são realizadas análises detalhadas para identificar os momentos em que a GSFV influencia na QEE do sistema. Com base nas análises aprofundadas realizadas nos estudos de caso desta dissertação, conclui-se que a instalação de sistemas de GSFV não apresenta influência significativa na QEE nas conexões em MT. No entanto, em conexões de BT, foram observadas variações nos níveis de tensão devido à injeção de potência excedente, em alguns casos ultrapassando os limites regulatórios de sobretensão estabelecidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL).

Abstract: The Brazilian energy matrix has undergone significant transformations in recent decades. Among these changes, there is a noticeable increase in distributed generation (DG) systems of electrical energy. Solar photovoltaic generation (SPV), among the sources of DG, stands out for its affordable installation cost and low environmental impact. However, despite the benefits, the integration of these systems with the distribution system brings technical and financial challenges for the country's energy distributors. One of the main concerns is the influence of these connections on the quality of electrical energy (QEE), a vital aspect for all utilities connected to the distribution network, including consumers, generation agents, or concessionaires. This dissertation aims to assess the impacts of connecting photovoltaic systems to the electrical distribution system in cities in southern Santa Catarina, served by the concessionaire Celesc Distribuição S.A. Possible difficulties related to QEE, expressed in deviations of voltage, frequency, and power factor, which may affect the operation of equipment in the distribution system and in consumers connected to this system, are investigated. For this purpose, data from smart energy meters installed for measuring non-technical losses and energy billing in low voltage (LV) and medium voltage (MV) consumers, as well as in distribution network feeders, are used. The dissertation is divided into three case studies, each addressing a specific aspect of the influence of photovoltaic systems on QEE. The first case study evaluates the behavior of the distribution feeder with the highest nominal photovoltaic distributed generation power installed in the southern region of Santa Catarina. The second case study will investigate a photovoltaic generation unit (PGU) with a nominal power of 225 kW connected to the concessionaire's system. Finally, the third case study analyzes the behavior of 16 different PGUs served in LV, as well as the five distribution transformers to which these units are connected. Data collection is carried out through smart energy meters, which monitor real-time measurements of consumed and surplus power, voltage, current, frequency, and power factor. After data collection in selected periods, detailed analyses are carried out to identify the moments when SPV influences the QEE of the system. Based on the in-depth analyses conducted in the case studies of this dissertation, it is concluded that the installation of SPV systems does not significantly affect the QEE in MV connections. However, in LV connections, variations in voltage levels were observed due to the injection of surplus power, in some cases exceeding the regulatory overvoltage limits established by the National Electric Energy Agency (ANEEL).