PT2696464E - Central elétrica fotovoltaíca - Google Patents

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PT2696464E
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Norbert Blacha
Stefan Kempen
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Aeg Power Solutions Gmbh
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Description

DESCRIÇÃO "CENTRAL ELÉTRICA FOTOVOLTAÍCA" A presente invenção refere-se a uma central elétrica fotovoltaica com módulos fotovoltaicos para a produção de energia elétrica, que estão interconectados de modo a formar vários cordões, em que os cordões estão conectados em paralelo; com um conversor central, nomeadamente um ondulador central, ou conversores descentralizados, para a conversão de energia elétrica produzida pelos módulos fotovoltaicos em energia elétrica com uma tensão, que apresenta uma forma de tensão, que corresponde a uma forma de tensão numa rede de distribuição, e; com uma saida para a alimentação da energia elétrica convertida na rede de distribuição.
As centrais elétricas fotovoltaicas atualmente são habituais em muitas partes do mundo. Além de centrais elétricas fotovoltaicas num modo de operação isolado, que geralmente apenas apresentam potências reduzidas, as centrais elétricas fotovoltaicas no modo de operação conectado à rede têm um significado muito maior. Ao contrário das centrais elétricas no modo de operação isolado, as centrais elétricas fotovoltaicas no modo de operação conectado à rede geralmente não armazenam a energia elétrica produzida, mas alimentam-na numa rede de distribuição. No caso da rede alimentada pode tratar-se de uma rede de baixa tensão, de uma rede de média tensão ou de uma rede de alta tensão, sendo que atualmente na Alemanha a alimentação geralmente é realizada no plano de rede baixo ou médio, quer dizer na rede de tensão baixa ou na rede de tensão média.
Uma central elétrica fotovoltaica desta natureza é descrita no documento DE 20 2010 016 873 Ul. A DE 103 05 128 descreve um processo para a regulação de um motor térmico, que está integrado num acionamento híbrido e é operado com energia térmica. Como acionamento adicional está previsto um motor elétrico, que é operado por células solares e alimenta o respetivo binário na onda do alternador de um alternador síncrono. A ideia de utilizar um ondulador mecânico, que é constituído por um motor de corrente contínua com um alternador síncrono numa central elétrica fotovoltaica, é conhecida da DE 10 2010 047 652. Neste caso é descrito um processo para a regulação da potência reativa por meio do fator de potência cos cp. A ideia da conexão de um motor assíncrono com um alternador síncrono é divulgada na DE 1 149 100 e na US 6, 239,513, contudo não em ligação com uma central elétrica fotovoltaica.
Os principais fornecedores de energia elétrica na maior parte dos países industrializados do planeta Terra são centrais térmicas a vapor e centrais hidroelétricas. As centrais térmicas a vapor convertem energia química em carvão, gás ou óleo ou energia nuclear em energia elétrica. As centrais hidroelétricas produzem energia elétrica a partir da energia cinética da água. Pelo vapor ou pela água geralmente são operados alternadores síncronos, que disponibilizam uma tensão sinusoidal nas saídas da central elétrica e as alimentam na rede de distribuição. A tensão produzida pelos alternadores síncronos está quase isenta de oscilações harmónicas e de oscilações sub-harmónicas.
Em centrais elétricas fotovoltaicas, tais como aquela divulgada no documento DE 20 2010 016 873 Ul, isto não é alcançado sem encargos específicos, considerando que os módulos fotovoltaicos de uma central elétrica fotovoltaica em primeiro lugar fornecem uma tensão contínua, que é convertida numa tensão alternada por meio de onduladores, quer sejam onduladores de cordões ou onduladores centrais. A conversão é realizada por meio de componentes eletrónicos de potência, que atualmente estão disponíveis em grande número e a preços aceitáveis. A tensão disponibilizada pelo ondulador contudo geralmente não está isenta de oscilações harmónicas ou de oscilações sub-harmónicas. Por conseguinte atualmente está a ser feito um esforço considerável para filtrar as oscilações harmónicas e as oscilações sub-harmónicas antes da alimentação da energia elétrica produzida na rede de distribuição. Particularmente no caso de centrais elétricas fotovoltaicas de grande dimensão os encargos são muito significativos.
Antes de uma central elétrica fotovoltaica poder ser ligada a uma rede de distribuição, tem de ser comprovado ao operador da rede de distribuição, que são cumpridos os requisitos relativos ao operador da rede de distribuição relativamente à alimentação de energia elétrica. Neste caso geralmente os encargos para a comprovação são tanto maiores, quanto maior é a potência da central elétrica. A presente invenção tem por objetivo reduzir estes encargos. A presente invenção tem por objetivo divulgar uma central elétrica fotovoltaica, que permita uma alimentação de energia elétrica produzida por centrais elétricas fotovoltaicas de forma tanto quanto possível isenta de oscilações harmónicas e de oscilações sub-harmónicas. 0 referido objetivo de acordo com a presente invenção é alcançado por meio de uma central elétrica fotovoltaica com as características da reivindicação 1, que foi delimitada pela DE 20 2010 016 873 Ul. Por conseguinte uma central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção apresenta uma conversão de tensão de duas etapas. Primeiro, a corrente contínua fornecida pelos módulos fotovoltaicos é convertida numa corrente com um ondulador central (segundo conversor central) e com conversores descentralizados (por ex. onduladores de cordões), que não tem de ser suficiente para os requisitos relativos a um operador de rede para a alimentação. Numa segunda etapa, a corrente alternada insuficiente para os requisitos de um operador de rede é convertida em corrente alternada com o primeiro conversor central, que preferencialmente está isenta de oscilações harmónicas e de oscilações sub-harmónicas. O primeiro conversor central da central elétrica fotovoltaica apresenta pelo menos um motor elétrico e um alternador síncrono, cujas ondas estão acopladas umas às outras. O desenvolvimento histórico de centrais elétricas fotovoltaicas teve início com os pioneiros fotovoltaicos que nos anos oitenta e nos anos noventa do século passado ligaram as primeiras centrais elétricas fotovoltaicas de pequena dimensão com uma potência reduzida à rede de distribuição, para alimentar energia na rede elétrica. As centrais elétricas fotovoltaicas em parte construídas pelos próprios pioneiros fotovoltaicos apresentavam onduladores, que na sua forma básica ainda são utilizados atualmente. Os componentes semicondutores de potência utilizados e os onduladores construídos com base nestes têm vindo a ser constantemente melhorados desde então. A potência dos módulos e dos onduladores foi aumentada. Isto possibilitou centrais elétricas fotovoltaicas de cada vez maiores, de modo que atualmente existem centrais elétricas fotovoltaicas com potências de vários Megawatt.
Fundamentalmente no passado não foi alterada grande coisa na topologia de centrais elétricas fotovoltaicas. Antes da alimentação sempre foi realizada e continua a ser realizada a conversão da corrente contínua numa corrente alternada por meio de um ondulador com semicondutores de potência. Não é conhecido que tenham sido realizados outros aperfeiçoamentos.
Neste caso a conversão da corrente contínua em corrente alternada com o auxílio de um motor elétrico e de um alternador síncrono, há muito conhecidos como tais, de acordo com a presente invenção oferece uma série de vantagens.
Em primeiro lugar é possível uma ligação da central elétrica fotovoltaica a uma rede de distribuição, sem que exista o perigo, de a partir da central elétrica fotovoltaica serem transmitidas oscilações harmónicas ou oscilações sub-harmónicas para a rede de distribuição.
Além disso a conversão da energia elétrica e a disponibilização de uma tensão em conformidade com a rede de distribuição oferece vantagens adicionais:
Tanto o motor elétrico como igualmente o alternador síncrono devido aos estatores apresentam uma massa centrífuga. Esta massa centrífuga armazena energia cinética, que pode atenuar oscilações de potência dos módulos fotovoltaicos devidas a uma alteração breve da radiação solar, por exemplo devido a uma nuvem, de modo que no caso de uma quebra de potência repentina a energia cinética dos estatores e as ondas são convertidas em energia elétrica.
Os alternadores síncronos frequentemente são utilizados há décadas para produzir energia elétrica em conformidade com a rede. Os operadores de rede conhecem a tecnologia e eventuais efeitos de um alternador síncrono sobre uma rede de distribuição. A admissibilidade da ligação à rede de uma central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção por conseguinte mal é considerada por um operador de rede de distribuição. Espera-se, que os operadores de redes de distribuição preferencialmente até liguem as centrais elétricas fotovoltaicas a uma rede, considerando que não será necessária qualquer compensação da rede de interferências e pelo contrário a qualidade da eletricidade disponível é melhorada.
Ao contrário dos onduladores convencionais é possível armazenar ou ajustar uma potência reativa nos alternadores síncronos por meio do ajuste da excitação.
Os alternadores síncronos em comparação com os onduladores com componentes semicondutores de potência são resistentes a curto-circuitos e a sobretensões.
Estas grandes vantagens não foram reconhecidas pelos planificadores e pelos agentes de desenvolvimento de centrais elétricas fotovoltaicas de grande dimensão até ao momento. No passado e no presente, a visão relativa à ligação de centrais elétricas fotovoltaicas por onduladores com componentes semicondutores de potência esteve limitada.
No caso de uma central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção pelo menos uma das ondas pode estar ligada a uma massa centrífuga ou uma massa centrífuga pode ser acionada por uma das ondas. A massa centrífuga permite um armazenamento adicional de energia cinética, o que torna a central elétrica fotovoltaica mais independente de oscilações breves da radiação solar.
De acordo com uma forma de realização particular da presente invenção a massa centrífuga pode ser ligada a uma das ondas por meio de um acoplamento. Em função do estado do acoplamento pode ser transmitida energia da onda para a massa centrífuga ou energia da massa centrífuga para a onda ou a energia permanece armazenada na massa centrífuga. Quando o acoplamento está acoplado, é transmitida energia. Quando o acoplamento está desacoplado, não é realizado qualquer transporte de energia. Por conseguinte, em caso de necessidade, a energia cinética pode ser armazenada ou pode ser convertida em energia elétrica.
Uma central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção além do primeiro conversor central pode apresentar um segundo conversor central, nomeadamente um ondulador central, para a conversão da corrente contínua que pode ser produzida pelos módulos fotovoltaicos numa corrente alternada. Esta corrente alternada pode conter oscilações harmónicas ou oscilações sub-harmónicas. Neste caso vantajosamente o motor elétrico do primeiro conversor central é um motor assíncrono, que é alimentado com energia elétrica pelo ondulador central. 0 ondulador central disponibiliza uma corrente, que no caso da presente invenção não tem de ser suficiente para os requisitos de um operador de rede em relação à alimentação. Isto não é prejudicial considerando que não existe qualquer acoplamento elétrico entre o ondulador central e a rede de distribuição. 0 motor assíncrono é realizado de modo que pode ser operado na saída do ondulador central sem sofrer danos devidos a oscilações harmónicas e a oscilações sub-harmónicas. Neste caso não são necessários quaisquer filtros específicos na saída do ondulador central.
Uma central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção além do primeiro conversor central pode apresentar conversores descentralizados, particularmente onduladores de cordões, dos quais cada um está conectado num cordão, para converter a corrente contínua que pode ser gerada pelos módulos fotovoltaicos de um cordão numa corrente alternada. Também no caso de uma central elétrica fotovoltaica desta natureza o motor elétrico do primeiro conversor central pode ser um motor assíncrono. Os onduladores de cordões disponibilizam igualmente uma corrente, que no caso da presente invenção não tem de ser suficiente para os requisitos de um operador de rede para a alimentação. Por conseguinte não são necessários quaisquer filtros específicos na saída da central elétrica fotovoltaica, para alcançar uma tensão em conformidade com a rede.
Até é possível, que o primeiro conversor central apresente vários motores assíncronos, cujas ondas estão ligadas umas às outras. A cada motor assíncrono estão associados um ou vários cordões da central elétrica fotovoltaica e os motores assíncronos podem ser alimentados com energia elétrica por meio destes cordões. As ondas dos motores assíncronos podem estar ligadas umas às outras de forma rígida. É igualmente possível, que as ondas estejam ligadas umas às outras por meio de acoplamentos e/ou de engrenagens ou de engrenagens de mudança de velocidade. 0 ou os motores assíncronos utilizados podem ser motores assíncronos polifásicos, particularmente motores assíncronos trifásicos. 0 número de fases pode corresponder ao número de cordões da central elétrica fotovoltaica ou ser uma fração de número inteiro do número de cordões.
Um estator do motor assíncrono ou os estatores dos motores síncronos podem apresentar mais de um par de polos. 0 número de pares de polos pode corresponder ao número de cordões da central elétrica fotovoltaica ou a uma fração de número inteiro do número de cordões.
Entre o primeiro conversor central e a saída da central elétrica pode estar conectado um transformador, para aumentar a tensão que pode ser fornecida pelo primeiro conversor central para a tensão existente na rede de distribuição. Os transformadores desta natureza, que não influenciam significativamente a forma de tensão, são conhecidos por exemplo em centrais térmicas a vapor e em centrais nucleares.
Uma vantagem particular de uma central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção é que os cordões da central elétrica fotovoltaica podem ser dispostos de forma geograficamente distribuída. Os módulos fotovoltaicos associados aos cordões podem estar instalados afastados a vários quilómetros uns dos outros e por meio de linhas a corrente produzida pelos módulos eventualmente com interconexão de um ondulador pode ser conduzida para o primeiro conversor central, para ser convertida numa corrente em conformidade com a rede. A distribuição geográfica dos módulos apresenta a vantagem de a central elétrica fotovoltaica ser mais independente das condições locais, particularmente das condições meteorológicas. Por conseguinte a potência da central elétrica fotovoltaica é mais homogénea do que no caso de uma central elétrica fotovoltaica, que está sujeita às condições de apenas um local. Assim podem ser evitadas alterações de potência intensas, o que facilita a integração da central elétrica fotovoltaica na rede de distribuição ao operador da rede de distribuição.
Vantajosamente a central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção apresenta uma potência superior a 100 kw, particularmente superior a 1 kw. Neste caso as vantagens de uma central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção podem ser particularmente bem alcançadas.
Um exemplo de realização de uma central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção é mais detalhadamente descrito com base na figura. A:
Fig. 1 apresenta um diagrama de blocos esquemático da central elétrica fotovoltaica. A central elétrica fotovoltaica de acordo com a presente invenção apresenta uma pluralidade de módulos fotovoltaicos 1, que estão conectados em série em vários cordões 2. Os cordões 2 estão ligados a onduladores de cordões 3. Nas saídas dos onduladores de cordões 3 é disponibilizada uma tensão de 10 kv. As saídas dos onduladores de cordões 3 estão ligadas a um primeiro conversor central 5 da central elétrica fotovoltaica por meio de uma linha de média tensão 4. A linha de média tensão 4 pode compreender vários condutores externos. O primeiro conversor central 5 apresenta uma máquina assíncrona 51, no caso da qual se pode tratar de um motor assíncrono polifásico com vários pares de polos. Neste caso preferencialmente o número de fases corresponde ao número de condutores externos da linha de média tensão 4. 0 número de pares de polos da máquina assíncrona multiplica-se com o número de fases e pode corresponder ao número de cordões 2 da central elétrica fotovoltaica.
Uma onda do motor assíncrono 51 está fixamente ligada a uma onda de um alternador síncrono 52. 0 alternador síncrono 52 é igualmente parte do primeiro conversor central 5. 0 motor assíncrono 51 por conseguinte aciona o alternador síncrono 52 e produz energia elétrica. A jusante do alternador síncrono 52 está disposto um transformador 6 que aumenta a tensão existente na saída do alternador síncrono 52 para a tensão de uma rede de distribuição, no presente caso de uma rede de transporte. A tensão na rede de transporte é de por exemplo 110 kv.
Este lado secundário do transformador 6 está ligado à rede de transporte 8 por meio de uma linha de alta tensão 7 com uma tensão de 110 kv. O final da linha de alta tensão 7 assinala a saída da central elétrica fotovoltaica. A central elétrica fotovoltaica apresenta um dispositivo de controlo ou uma sala de controlo 10, a partir do/da qual podem ser controlados os onduladores 3, o motor assíncrono 51 e os alternadores síncronos 52. A sala de controlo 10 está ligada a uma sala de controlo 9 de um operador da rede de transporte 8. A sala de controlo 10 transmite o estado e a disponibilidade, quer dizer igualmente as reservas de potência da central elétrica fotovoltaica, à sala de controlo 9 do operador da rede de transporte. Pelo contrário, a sala de controlo 9 do operador da rede de transporte transmite a potência reativa Q a disponibilizar e o fator da potência ativa cós cp a ajustar à sala de controlo 10 do operador da central elétrica.
Em função das indicações do operador da rede de transporte o operador da central elétrica controla e regula a central elétrica fotovoltaica a partir da sala de controlo 10. Mais particularmente são controlados ou regulados o deslize do motor assíncrono e o ângulo da roda polar δ e a corrente de excitação IE. Pode igualmente ser ajustada a potência dos onduladores 3 a partir da sala de controlo. A rede na central elétrica fotovoltaica está galvanicamente e eletromagneticamente totalmente desacoplada da rede de transporte 8. A única ligação entre as duas redes é realizada por meio das ondas mecanicamente acopladas umas às outras da máquina assíncrona 51 e do alternador síncrono 52. Por meio deste desacoplamento eletromagnético é excluído o efeito de interferências, que ocorrem ou podem ocorrer na rede da central elétrica fotovoltaica, sobre a rede de transporte 8. As oscilações harmónicas e as oscilações sub-harmónicas, que ocorrem na rede da central elétrica fotovoltaica, não são transmitidas por meio do conversor 5 rotativo. Além disso a central elétrica devido ao conversor 5 apresenta a vantagem de as oscilações de potência da central elétrica fotovoltaica devidas à massa centrífuga e à inércia dos componentes rotativos do conversor 5 apenas produzirem um efeito fraco sobre a rede de transporte 8. Devido à possibilidade de uma distribuição geográfica dos diferentes cordões 2 da central elétrica fotovoltaica além disso é possível uma compensação da potência da central elétrica fotovoltaica, considerando que uma sombra local dos módulos fotovoltaicos 1 de um cordão 2 apenas diminui parcialmente a potência da central elétrica fotovoltaica enquanto no caso de outras centrais elétricas fotovoltaicas conhecidas uma sombra local pode conduzir a uma alteração de potência significativa da central elétrica na sua totalidade.
Lisboa, 07 de Abril de 2015

Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES 1. Central elétrica fotovoltaica com módulos fotovoltaicos (1) para a produção de energia elétrica, que estão interconectados de modo a formar vários cordões (2); com um primeiro conversor central (5) para a conversão de energia elétrica produzida pelos módulos fotovoltaicos em energia elétrica com uma tensão, que apresenta uma forma de tensão, que corresponde a uma forma de tensão numa rede de distribuição, e; com uma saída para a alimentação da energia elétrica convertida na rede de distribuição, caracterizada por o primeiro conversor central (5) apresentar pelo menos um motor assíncrono (51) e um alternador síncrono (52), cujas ondas estão acopladas umas às outras; a central elétrica fotovoltaica ou apresentar um segundo conversor central, nomeadamente um ondulador central, para a conversão da corrente contínua que pode ser produzida pelos módulos fotovoltaicos (1) numa corrente alternada, com a qual pode ser alimentado o motor assíncrono do primeiro conversor central, ou conversores descentralizados (3), dos quais cada um está conectado a um dos cordões, para converter a corrente contínua que pode ser produzida pelos módulos fotovoltaicos (1) de um cordão (2) numa corrente alternada, com a qual pode ser alimentado o motor assíncrono do primeiro conversor central.
  2. 2. Central elétrica fotovoltaica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por pelo menos uma das ondas estar ligada a uma massa centrífuga ou por uma massa centrífuga poder ser acionada por uma das ondas.
  3. 3. Central elétrica fotovoltaica de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por a massa centrífuga poder ser ligada a uma das ondas por meio de um acoplamento e em função do estado do acoplamento poder ser transmitida energia da onda para a massa centrífuga ou energia da massa centrífuga para a onda.
  4. 4. Central elétrica fotovoltaica de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizada por no caso de a central elétrica fotovoltaica apresentar um conversor descentralizado (3) , o primeiro conversor central (5) apresentar vários motores assíncronos (51), cujas ondas estão ligadas umas às outras.
  5. 5. Central elétrica fotovoltaica de acordo com a reivindicação 4, caracterizada por a cada motor assíncrono (51) ser associado um cordão (2) da central elétrica fotovoltaica ou serem associados vários cordões (2) da central elétrica fotovoltaica e por os motores assíncronos (51) poderem ser alimentados com energia elétrica por meio destes cordões (2).
  6. 6. Central elétrica fotovoltaica de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizada por o motor assíncrono (51) ser um motor assíncrono polifásico, particularmente um motor assíncrono trifásico.
  7. 7. Central elétrica fotovoltaica de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por o número de fases corresponder ao número de cordões (2) da central elétrica fotovoltaica.
  8. 8. Central elétrica fotovoltaica de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizada por um estator do motor assíncrono (51) apresentar mais do que um par de polos.
  9. 9. Central elétrica fotovoltaica de acordo com a reivindicação 8, caracterizada por o número de pares de polos corresponder ao número de cordões (2) da central elétrica fotovoltaica.
  10. 10. Central elétrica fotovoltaica de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizada por entre o primeiro conversor central (5) e a saída da central elétrica fotovoltaica estar conectado um transformador (6), para aumentar a tensão que pode ser fornecida pelo primeiro conversor central (5) para a tensão existente na rede de distribuição. Lisboa, 07 de Abril de 2015
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