Estudo da distorção harmônica em redes de distribuição de baixa tensão com sistemas fotovoltaicos e veículos elétricos

Abstract

Estima-se um crescimento significativo na integração de fontes alternativas de energia e no aumento de cargas não lineares nas redes de distribuição de baixa tensão como, por exemplo, a geração fotovoltaica e a instalação de carregadores de veículos elétricos. Tais equipamentos necessitam de conversores eletrônicos para viabilizar sua conexão na rede e causam, portanto, distorção harmônica. Este trabalho propõe analisar a distorção harmônica causada por esses elementos por meio de simulações diárias, utilizando o OpenDSS, considerando cenários nos quais os equipamentos operam em condições distintas. É implementada uma metodologia de simulações que calcula os índices de distorção harmônica ao longo das 24h do dia para identificar os intervalos que apresentam variação e o que a motiva. De forma complementar, são calculados os índices regulamentados pelo PRODIST, que define os limites que não podem ser ultrapassados em mais de 5% das medições em uma semana. Constata-se que um alto nível de penetração de sistemas fotovoltaicos e carregadores de veículos elétricos causaria problemas de subtensão atingindo valores na faixa de tensão precária antes de serem verificados altos níveis de distorção harmônica. O deslocamento da recarga de veículos elétricos do horário de ponta para um período com menor carga apresenta melhoras tanto na tensão como nos índices de distorção. Nos cenários simulados não foram verificadas elevações alarmantes de distorção harmônica; portanto, esse indicador não seria um fator limitante na instalação dos equipamentos. Verifica-se, também, que a distorção harmônica depende fortemente dos ângulos de fase das componentes harmônicas individuais, pois isso define como os diferentes equipamentos irão interagir e isso pode aumentar ou reduzir a distorção total de tensão.

Significant growth is expected for the integration of alternative sources of energy and nonlinear loads in low voltage distribution networks, e.g. photovoltaic generation and the installation of electric vehicle chargers. Such equipment requires electronic converters to enable their connection to the network, thus cause harmonic distortion. This paper proposes to analyse the harmonic distortion caused by these elements through daily simulations, using OpenDSS, in scenarios with the equipment operating under different conditions. A simulation methodology is implemented for calculating the harmonic distortion indices over 24h periods to identify daily time intervals that present variation and what is it driven by. In addition, the indices regulated by PRODIST are calculated. PRODIST defines the limits that cannot be exceeded in more than 5 % of the measurements made in one week. It is found that a significant insertion of photovoltaic systems and electric vehicle chargers would cause undervoltage problems before high levels of harmonic distortion are reached. Shifting the recharge of electric vehicles from the end of the day to a period with lower demand improves both voltage levels and distortion rates. In simulated scenarios no alarming elevations of harmonic distortion were observed; therefore, this indicator would not be a limiting factor in equipment installation. It is also verified that the harmonic flow strongly depends on the phase angles of the individual harmonic components, showing how the different equipment will interact, eventually increasing or reducing the voltage total harmonic distortion.