O que é o controlo da potência reativa nos inversores ligados à rede e como funciona?

O controlo da potência reativa é a função que permite que um inversor ligado à rede mantenha a tensão da rede, em vez de se limitar a fornecer quilowatts. A norma IEEE 1547-2018 fornece uma base técnica fundamental para os requisitos de interligação de recursos energéticos distribuídos nos Estados Unidos. Este guia explica o que é, na verdade, a potência reativa, por que razão os inversores ligados à rede têm de a gerir, como funcionam os modos de controlo e o que se deve verificar ao avaliar a conformidade de um inversor.

O que é a potência reativa e por que razão a rede elétrica depende dela?

A potência reativa é a potência que cria e anula os campos magnéticos e elétricos no interior dos equipamentos da rede, e não a potência que realiza trabalho útil. Todos os sistemas de energia de corrente alternada transportam tanto potência ativa, medida em watts, como potência reativa, medida em volt-amperes reativos (VAR). Um inversor ligado à rede converte a eletricidade de corrente contínua proveniente de um painel solar em eletricidade de corrente alternada sincronizada com a rede elétrica e, quando concebido e configurado para o efeito, pode fornecer ou absorver potência reativa.

Potência ativa vs. potência reativa — A diferença que importa

A potência ativa alimenta os seus aparelhos e aparece na sua fatura de eletricidade. A potência reativa, por outro lado, não realiza trabalho diretamente. Em vez disso, mantém os níveis de tensão de que os transformadores, os motores e as linhas de transmissão necessitam para funcionar corretamente. Devido a essa função, os engenheiros descrevem a relação entre as duas utilizando um único valor denominado fator de potência.

O fator de potência é a relação entre a potência ativa e a potência aparente, variando entre 0 e 1. Quando um inversor funciona com um fator de potência inferior à unidade, a potência reativa contribui para a sua potência aparente de saída. Se o inversor estiver a funcionar próximo do seu limite de potência aparente, o fornecimento de potência reativa pode reduzir a potência ativa que consegue fornecer ao mesmo tempo.  É precisamente essa relação de compromisso que faz com que o controlo da potência reativa seja uma decisão de conceção e não um efeito secundário.

Como a potência reativa mantém a tensão da rede estável

A tensão da rede sobe e desce constantemente à medida que as cargas são ligadas e desligadas ao longo de um ramal. A injeção ou absorção de potência reativa é uma das poucas ferramentas capazes de corrigir essa tensão localmente, perto do local onde ocorre o desequilíbrio. Uma vez que um inversor ligado à rede já se encontra no ponto de ligação, este está bem posicionado para efetuar esta correção sem necessidade de equipamento adicional.

É precisamente por isso que os organismos de normalização passaram a considerar os inversores não como meras fontes de energia, mas sim como dispositivos ativos de apoio à rede. A secção seguinte explica como essa mudança se tornou um requisito de conformidade.

Por que razão isto se torna uma questão de conformidade no caso dos inversores ligados à rede?

O controlo da potência reativa tornou-se uma questão de conformidade porque o aumento da penetração da energia solar começou a causar oscilações de tensão que as empresas de eletricidade já não conseguiam gerir apenas com o equipamento existente. À medida que mais inversores ligados à rede se conectavam aos mesmos alimentadores, as entidades reguladoras precisavam de uma norma técnica comum para manter a tensão dentro de um intervalo seguro. Essa norma é a IEEE 1547-2018.

Mais energia solar na rede significa mais flutuações de tensão

Um único sistema solar doméstico quase não afeta a tensão do circuito de distribuição. Milhares desses sistemas a exportarem energia ao mesmo tempo numa tarde ensolarada são outra história. A tensão num circuito de distribuição pode subir à medida que a produção aumenta e, em seguida, cair drasticamente quando a cobertura de nuvens ou a procura ao fim da tarde alteram o equilíbrio.

Consequentemente, as empresas de serviços públicos precisavam de inversores capazes de responder automaticamente a estas oscilações em tempo real, uma vez que o ajuste manual na subestação é demasiado lento para flutuações que ocorrem a cada segundo.

O que a norma IEEE 1547-2018 exige agora dos inversores

A norma IEEE 1547-2018 é a norma de interligação dos EUA para recursos energéticos distribuídos e exige que os recursos energéticos distribuídos (DERs) — incluindo os inversores solares — forneçam apoio à tensão em estado estacionário, fornecendo ou absorvendo potência reativa durante condições de subtensão e sobretensão, de acordo com o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL). A norma define quatro modos de controlo da potência reativa — fator de potência constante, tensão-potência reativa (Volt-VAR), potência ativa-potência reativa (Watt-VAR) e potência reativa constante —, sendo que as capacidades exigidas dependem da categoria de desempenho dos DER aplicável.

Nos casos em que a norma IEEE 1547-2018 e os requisitos de certificação relacionados forem incorporados nas regras de interligação aplicáveis, um inversor que não cumpra os requisitos exigidos poderá não ser aprovado na avaliação de interligação realizada pela empresa de eletricidade. Em muitas jurisdições, esse inversor não é elegível para ligação à rede.

O risco de uma interligação não conforme

Um inversor sem um controlo adequado da potência reativa pode ser rejeitado durante a análise de interligação à rede elétrica, o que atrasa um projeto em semanas ou meses. Mesmo que passe na avaliação inicial, poderá mais tarde ser obrigado a desligar-se durante variações de tensão que um inversor em conformidade teria suportado. É por isso que o controlo da potência reativa não é uma funcionalidade opcional para inversores ligados à rede, tanto a nível comercial como à escala das empresas de eletricidade — é um pré-requisito para o acesso à rede.

Compreender por que razão esta capacidade é necessária é apenas metade da história. A secção seguinte aborda a forma como o inversor efetivamente realiza a correção.

Como é que os inversores ligados à rede controlam, na verdade, a potência reativa?

A norma IEEE 1547-2018 define várias capacidades de controlo de tensão e de potência reativa, sendo que as capacidades exigidas dependem da categoria de desempenho dos recursos energéticos distribuídos (DER) e dos requisitos de interligação aplicáveis.

Modo de fator de potência constante

No modo de fator de potência constante, o inversor mantém uma relação fixa entre a potência ativa e a potência reativa, independentemente das condições da rede. Este é o modo mais simples de configurar e funciona bem em ramificações com padrões de carga previsíveis e estáveis.

Modo Volt-VAR (Tensão-Potência Reativa)

O modo Volt-VAR é o que melhor se adapta à rede dos quatro, uma vez que ajusta a potência reativa produzida com base na tensão local medida pelo próprio inversor, em vez de um ponto de regulação fixo. A relação segue uma curva por partes com uma banda morta em torno da tensão nominal, seguida de duas regiões inclinadas que injetam ou absorvem potência reativa à medida que a tensão varia, de acordo com a investigação sobre controlo baseada na norma IEEE 1547.

Uma vez que responde a condições reais e locais, em vez de a um valor estático, o modo Volt-VAR é o modo mais solicitado pelas empresas de serviços públicos para ramificações com elevada penetração solar.

Modos de potência ativa-reativa (Watt-VAR) e de potência reativa constante

O modo Watt-VAR associa a potência reativa produzida à quantidade de potência ativa que o inversor está atualmente a exportar, pelo que a correção se ajusta automaticamente à medida que a produção aumenta ou diminui. O modo de potência reativa constante, em contrapartida, mantém um valor de referência VAR fixo, independentemente da tensão da rede ou do nível de produção, e as empresas de eletricidade por vezes atribuem-no diretamente, em vez de o deixarem a cargo da resposta de tensão local.

Por que é que estes modos funcionam em conjunto e não isoladamente

Uma empresa de serviços públicos raramente recorre a apenas um modo em todo um alimentador. Em vez disso, o operador do EPS da área especifica o modo e as configurações aplicáveis para o ponto de interligação, e o operador do DER implementa essas configurações durante o comissionamento. É essa flexibilidade que faz com que a norma IEEE 1547-2018 exija que os inversores suportem vários modos, em vez de terem um único comportamento codificado de forma rígida.

Controlo da potência reativa na prática: um exemplo à escala das empresas de serviços públicos

Os inversores ligados à rede, tanto de grande escala como comerciais, aplicam estas normas a nível do hardware, com um intervalo de fator de potência configurável e ensaios de certificação formais. O KE-125KE53UA trifásico inversor ligado à rede A Ktech Energy ilustra como estes requisitos se traduzem num produto físico concebido para a rede elétrica norte-americana.

Como o modelo KE-125KE53UA cumpre estas normas

O KE-125KE53UA é um inversor trifásico de 125 kW com uma gama de fator de potência ajustável de 0,8 à frente a 0,8 atrasado, o que lhe permite tanto absorver como fornecer potência reativa em toda a gama prevista pela norma IEEE 1547-2018 para um dispositivo de apoio à rede. Possui certificações conforme as normas IEEE 1547:2018, UL 1741-SA, UL 1741-SB, Regra 21 da CA e Regra 14H da HECO, de acordo com as especificações do produto publicadas pela Ktech.

O intervalo de fator de potência ajustável é a expressão prática do fator de potência constante e do suporte Volt-VAR descritos anteriormente — define até que ponto o inversor pode alterar a potência reativa em saída em qualquer direção, sem exceder a sua potência aparente nominal.

O que isto significa para os projetistas e instaladores de sistemas

Para um projetista de sistemas, uma gama de fatores de potência documentada e uma lista de certificações específica significam menos incógnitas durante a análise de interligação com a rede elétrica. Um técnico de campo beneficia da monitorização da rede e da compatibilidade com o desligamento rápido, uma vez que ambas as funcionalidades são frequentemente exigidas, a par do suporte à potência reativa, nas normas estaduais de interligação. Analisando a gama completa da Ktech inversor ligado à rede A tabela é um passo seguinte lógico para comparar intervalos de fator de potência e a cobertura da certificação em projetos de diferentes dimensões.

O que deve ter em conta ao avaliar a capacidade de potência reativa de um inversor ligado à rede?

Comece por verificar o intervalo de fator de potência publicado do inversor e a sua lista de certificações, comparando-os com a norma IEEE 1547-2018 e com qualquer regulamento específico do estado que se aplique ao seu projeto, como a Regra 21 da Califórnia. Esses dois dados fornecem mais informações sobre a compatibilidade com a rede elétrica do que uma classificação geral de eficiência.

Certificações a verificar antes da instalação

• Conformidade com a norma IEEE 1547-2018, confirmada na ficha técnica ou no certificado de conformidade do inversor
• UL 1741-SA ou UL 1741-SB, que testam as funções dos inversores inteligentes, incluindo os modos de potência reativa
• Qualquer regra de interligação específica de um estado que seja aplicável, como a Regra 21 da Califórnia, ou uma regra específica de uma empresa de serviços públicos, como a Regra 14H da HECO
• Proteções contra o funcionamento em ilha e de monitorização da rede, que são normalmente necessárias a par do apoio em potência reativa

Perguntas a colocar sobre a gama do fator de potência e os modos de resposta

• Qual é a gama de fator de potência ajustável e é simétrica (adiantada e atrasada)?
• Qual dos quatro modos de controlo da norma IEEE 1547 é suportado pelo inversor — e é possível reconfigurá-los após a colocação em serviço?
• A empresa de serviços públicos exige um modo específico e o firmware do inversor suporta-o de fábrica?

Colocar estas questões antes da compra evita que se verifique uma situação em que um inversor cumpra os parâmetros de eficiência, mas não seja aprovado na avaliação de interligação devido à falta de certificação ou a um intervalo de fator de potência insuficiente.

Conclusão

O controlo da potência reativa transforma um inversor ligado à rede de uma simples fonte de energia num participante ativo na estabilidade da tensão da rede, e a norma IEEE 1547-2018 é o que torna essa participação um requisito, em vez de uma funcionalidade opcional. Os modos de fator de potência constante, potência reativa constante, watt-var e Volt-VAR respondem, cada um, a um cenário de rede diferente, e um inversor em conformidade tem de suportar o modo que a empresa de eletricidade efetivamente exige no ponto de interligação.

Verificar a gama de fatores de potência e a lista de certificações de um inversor antes da instalação é a forma mais direta de confirmar se este cumpre estes requisitos. Produtos como o KE-125KE53UA demonstram como essa conformidade se traduz num projeto comercial trifásico, e a análise das especificações documentadas pelo fabricante continua a ser a forma mais fiável de confirmar se um inversor ligado à rede está efetivamente preparado para as normas de interligação atuais.