Um operador de instalação solar de 100 MW no sul da Espanha está competindo contra seu cronograma de dois meses. Os painéis foram instalados no solo, os inversores passaram nos testes de fábrica, o contrato de compra foi assinado — e ainda assim, o ponto de conexão permaneceu vago. Construir uma subestação normal envolveria pelo menos dez semanas de trabalho civil. No entanto, uma subestação de nova energia fotovoltaica (PV), uma subestação de média / baixa tensão pré-fabricada criada exclusivamente para plantas solares, foi entregue em um frete, montada sobre fundação de concreto em três dias e começou a operar na semana da comissionamento. Casos semelhantes podem ser encontrados em diferentes partes do mundo onde a capacidade solar está se expandindo.
Este artigo discute o que é uma subestação de nova energia PV, como ela se desvia de uma subestação de distribuição convencional, do que consiste, quanto custa e como os desenvolvedores e contratantes EPC devem descrever e solicitar tal subestação. Ele abrange as classificações que variam de 630 kVA a 4 MVA, refere-se a IEC 62271-202, IEC 60076, IEEE 1547, e dá exemplos de custos reais disponíveis no mercado de exportação atual.
Uma subestação de nova energia fotovoltaica (PV) refere-se a uma subestação MV/LV pré-montada que conecta uma planta de energia solar à rede. A montagem inclui um transformador elevador, que geralmente é classificado entre 630 kVA e 4.000 kVA, um conjunto de equipamentos de manobra MV e LV, proteções contra AC e DC, fios conectando o inversor e equipamentos de medição enclausurados conforme o gabinete externo de acordo com IEC 62271-202. Ela também facilita a elevação da tensão de saída do inversor de 400-800 V para o nível da rede de 10-35 kV, bem como proteção da rede e medição de receita.
O que é uma subestação de nova energia PV?
A estação de nova energia baseada em PV é um centro de geração de energia inovador, criado e fabricado especificamente para aquele ponto onde as plantas solares se conectam à rede elétrica. Às vezes, pode ser referida como uma subestação solar, subestação de estação inversora ou subestação de nova energia.
Essas subestações têm um design inovador em termos de sua capacidade de atender a requisitos específicos de geração solar. Em particular, são capazes de lidar com a variabilidade da produção de energia das instalações solares, rápida variação dinâmica da capacidade, harmônicos gerados por inversores e cumprir os requisitos dos códigos de rede em relação à gestão de tensão, potência reativa e processo de ilhamento.
Uma subestação de nova energia PV geralmente opera na linha de separação do sistema de inversores e das instalações da rede elétrica. Em sua seção de baixa tensão, uma subestação de nova energia PV conecta-se a uma ou várias estações inversoras centrais ou de string (com tensão de barramento DC na faixa de 800-1500 V e tensão de saída AC de 400-690 V). Em relação à seção de média tensão, conecta-se à rede de coleta (na tensão de 10, 20, 22 ou 35 kV), apoiando a subestação de alta tensão a montante que é responsável por aumentar a tensão para o nível da linha de transmissão de 110-220 kV.
O Papel da Subestação em uma Usina Solar
A eletricidade gerada em uma instalação solar de grande escala não pode ser enviada para a rede elétrica a menos que a subestação de interconexão realize as quatro funções vitais listadas abaixo:
- Conversão de tensão: Aumentando a corrente elétrica da tensão operacional do inversor entre 400 e 800 V para a média tensão (10–35 kV), diminuindo assim as perdas por resistência ao longo de toda a instalação.
- Proteção da rede: Monitorando sobre e sob tensão, sobre e sob frequência, bem como o tempo de inatividade não intencional da geração, a fim de desconectar a usina no período de tempo determinado de acordo com as normas regulatórias (geralmente de 0,2 a 2 segundos).
- Faturamento: Calculando a energia produzida pela usina e entregue à rede com precisão adequada (geralmente classe 0,2 ou 0,5).
- Comutação e isolamento: Fornecendo isolamento confiável da instalação para fins de manutenção eficaz e desligamento preventivo.
Como a geração de energia solar é caracterizada por sua inconstância e variações — as nuvens que passam podem causar uma queda repentina no desempenho da usina em 60% dentro de 30 segundos — a proteção e o gerenciamento da instalação devem ser muito mais rápidos e precisos em comparação com redes elétricas tradicionais, onde as mudanças de potência ocorrem mais lentamente.
Estrutura e Componentes Chave
Normalmente, uma subestação MV/LV específica para PV consiste em diferentes compartimentos colocados dentro de uma estrutura que protege contra condições climáticas (em aço inoxidável ou aço galvanizado de acordo com o padrão IP 54 fornecido na IEC 60529):
| Compartimento | Equipamento Principal | Classificação Típica |
|---|---|---|
| Compartimento do lado do inversor de baixa tensão | Quadro de baixa tensão, disjuntores AC, para-raios, relés de proteção, terminações de string/monitoramento | 400–690 V, 1.000–4.000 A |
| Compartimento do transformador | Transformador elevador, contenção de óleo, ventilação forçada ou natural | 630–4.000 kVA, 10–35 kV / 0,4–0,69 kV |
| Compartimento do lado da rede de média tensão | RMU ou disjuntor a vácuo, CTs/VTs de medição, para-raios, painel de relés | 10–35 kV, barramento de 630 A |
| Controle e auxiliares | Fonte DC, aquecedores, SCADA/RTU, links de telecomunicação, controle anti-condensação | — |
Ao contrário das unidades de distribuição de energia padrão, a complexidade de proteção das subestações PV é mais diversificada; por exemplo, intertravamento de inversores, sobrecorrentes direcionais, limitação de tensão e frequência de acordo com os códigos da rede, juntamente com o sistema anti-ilhamento, são implementados em um único sistema de relé (geralmente com redundância para usinas com saída superior a 1 MW).
Como a Subestação PV Funciona
Durante o dia, os painéis solares geram eletricidade em corrente contínua de até 1.500 volts. Os inversores então produzem corrente alternada trifásica de 400 a 690 volts e alimentam isso na rede elétrica. A subestação aumenta isso para o nível de média tensão e alimenta na rede através de um interruptor de proteção.
A variável de carga do transformador depende da radiação solar e não da carga constante da indústria. Por causa disso, o comportamento da carga possui algumas características particulares: é quase zero antes do nascer do sol, sobe para um certo nível pela manhã, atinge o nível máximo ao meio-dia e se torna quase zero novamente ao pôr do sol. O design térmico é muito importante, pois os ciclos térmicos do transformador podem ocorrer todos os dias — um transformador que foi projetado corretamente utiliza monitores de temperatura do óleo e resfriamento forçado de ar em uma escala maior para evitar o envelhecimento rápido de seu material isolante. Produtores especializados em PV geralmente fornecem transformadores com perfis de carga testados e com classificações mais baixas para climas quentes.
Quando se trata de proteção, o sistema de visão explodida mede tensão, frequência e corrente na saída do transformador. Se, por qualquer motivo, a rede falhar, o sistema envia um sinal para o equipamento de manobra isolar a planta dentro do tempo necessário, geralmente medido em segundos.
Tipos e Configurações
| Configuração | Descrição | Aplicação Típica |
|---|---|---|
| Unidade MV/LV única | Um transformador mais equipamento de manobra MV e LV | Telhados comerciais/industriais, plantas de 0,5–5 MW |
| Unidade de estação de inversor central | Unidade integrada com a carcaça do inversor central | Plantas em escala de utilidade usando inversores centrais |
| Unidade de inversor de string | Equipamento de manobra LV otimizado para múltiplos inversores de string | Grandes arranjos com inversores distribuídos |
| Unidade montada em skid | Todo o equipamento em um skid de aço transportável | Locais de rápido acesso e remotos |
| Arranjo MV/HV dividido | Várias unidades MV/LV alimentando uma subestação HV central | Plantas acima de 20 MW com exportação de 110–220 kV |
No caso de plantas variando de 5 MW a 100 MW, a prática comum é utilizar unidades MV/LV com uma única unidade para cada 2-10 MW de capacidade de inversor, e uma subestação de alta tensão central. Este conceito modular permite que a construção seja faseada e que peças de reposição sejam padronizadas, além de permitir que escolham a potência com base nos arranjos dos painéis.
Subestação PV vs. Subestação de Distribuição Padrão
| Fator | Subestação de Nova Energia PV | Subestação de Distribuição Padrão |
|---|---|---|
| Perfil de carga | Variável, movida a solar, ciclagem diária | Demanda relativamente estável ou com picos |
| Proteção | Anti-ilhamento, direcional, limites de código de rede | O/C básico, E/F, falha à terra |
| Potência reativa | Regulada, frequentemente 0,95 adiantada/retrasada | Geralmente passiva ou não corrigida |
| Medição | Bidirecional, medição de exportação classe 0,2s/0,5s | Faturamento unidirecional |
| SCADA | Sempre, com controle remoto e registro de dados | Frequentemente opcional |
| Classificação típica | 630–4.000 kVA por unidade | 50–2.500 kVA |
| Harmônicos | Induzida por inversor, considerações de filtro | Menor na maioria das cargas |
Neste caso, é devido ao maior nível de complexidade quando se trata de proteção e conformidade mais rigorosa com o código da rede que o custo da unidade padrão e o do sistema PV diferem.
Especificações Típicas
Aqui está a especificação para um sistema PV de 2000 kVA operando em nível de tensão de 22 kV.
| Parâmetro | Valor Típico |
|---|---|
| Classificação do transformador | 000 kVA, imerso em óleo, ONAN |
| Relação de tensão | 22 kV / 0,69 kV (também opções de 10/20/33/35 kV) |
| Grupo vetorial | Dyn11 ou Dyn5 |
| Perda em vazio | ~2,2–3,0 kW |
| Perda de carga a 75°C | ~16–20 kW |
| Tensão de impedância | 6%–8% |
| Equipamento de manobra de baixa tensão | 500–4.000 A ACB, terminações de inversor |
| Equipamento de manobra de média tensão | RMU isolada a gás SF6 ou sólida / disjuntor a vácuo, 20–25 kA/3s |
| Proteção | Relé numérico: 50/51, 50N/51N, 27/59, 81, anti-ilhamento, direcional |
| Medição | Medidores de receita classe 0,5s ou 0,2s, CTs/VTs |
| Invólucro | IP54, base galvanizada, revestimento anticorrosivo para locais costeiros |
| Design ambiental | Até 50°C com curva de desclassificação tropical |
| Normas | IEC 62271-202, IEC 60076, IEC 60529, IEEE 1547 (N. América) |
Testes de verificação regulares e especiais são baseados nas normas IEC 60076 e IEC 62271-202. As configurações de proteção do sistema devem ser verificadas em relação ao código da rede da concessionária, caso a planta esteja vendendo energia para a rede.
Onde as Subestações PV São Usadas
- Instalações montadas no solo em escala de utilidade: instalações operando na faixa de 5-300 megawatts que também possuem instalações de média tensão/baixa tensão distribuídas e uma subestação de alta tensão centralizada.
- Telhados comerciais e industriais: instalações solares operando na faixa de 0,5 a 10 megawatts de eletricidade com conexões tanto atrás do medidor quanto na frente do medidor.
- Solar flutuante: plantas solares que são estabelecidas em balsas de flutuação ou estruturas de terra próximas, proporcionando assim proteções anticorrosivas.
- Agrivoltaicos: geração de energia solar com cultivo de produtos agrícolas na mesma área de terra.
- Plantas híbridas: instalações solares combinadas com armazenamento ou eólica, tendo uma instalação para conversão de múltiplas fontes de energia.
- Programas de geração distribuída envolvem pequenas instalações fornecendo vários programas e um desses programas são esquemas solares comunitários.
Além da aplicação solar, sistemas semelhantes são aplicados para sistemas de armazenamento de energia em bateria.
Normas, Códigos de Rede e Testes
| Padrão | Escopo | Relevância para Subestações PV |
|---|---|---|
| IEC 62271-202 | Subestações de transformadores pré-fabricadas | Design de unidade completa, invólucro, teste de tipo |
| IEC 60076 | Transformadores de potência | Classificação de transformadores, perdas, testes |
| IEC 60529 | Proteção de invólucro IP | IP54/IP55 para exposição ao ar livre |
| IEC 60255 | Relés de medição e equipamentos de proteção | Precisão e desempenho de relés |
| IEEE 1547 | Interconexão de recursos distribuídos (N. América) | Requisitos de proteção e interconexão do código da rede |
| Códigos de rede locais | Específicos do país (por exemplo, GCC, EU EN 50549, regras nacionais de TSO) | Tempo de passagem de tensão/frequência, tempos de anti-ilhamento |
Baixe o certificado de conformidade com as regulamentações do código da rede aplicáveis ao seu país. O mesmo dispositivo pode estar em conformidade com EN 50549 (o código europeu) ou IEEE 1547 (o código aplicável à América do Norte) ou com códigos nacionais apenas se o firmware e as configurações de um relé estiverem configurados para a jurisdição adequada.
Custos e Faixas de Preço
Estimativas de preços para unidades de subestação específicas de PV completas (transformador elevador, equipamentos de manobra MV/LV, dispositivos de proteção, instrumentos de medição, estrutura de fibra de vidro):
| Classificação | Classe de Tensão | Preço Típico (USD) | Tempo de Entrega |
|---|---|---|---|
| 630–1.000 kVA | 10–35 kV | $12.000–$25.000 | 7–12 semanas |
| 250–2.000 kVA | 10–35 kV | $16.000–$35.000 | 8–14 semanas |
| 500–3.150 kVA | 10–35 kV | $30.000–$60.000 | 10–16 semanas |
| 550–4.000 kVA | 10–35 kV | $45.000–$90.000 | 12–20 semanas |
Para invólucros de aço inoxidável ou à prova de corrosão, adicione 15-30%, 10-20% a mais para transformadores de tipo seco, além de $1.500-5.000 para relés de proteção avançados, medição de classe 0.2 e SCADA completo. Os preços mencionados acima são indicativos FOB e variam conforme a especificação, fabricante e região.
Principais Marcas & Comparação de Preços
| Marca | País | Força em Solar | Preço Indicativo — 2,000 kVA (USD) |
|---|---|---|---|
| Schneider Electric | França | Soluções integradas de inversores/subestações, serviço global | $38.000–$60.000 |
| Siemens | Alemanha | Soluções de rede digital, fortes referências de utilidade | $40.000–$65.000 |
| ABB | Suíça | Faixa de estação PV, sinergia de inversores, suporte à rede | $38.000–$62.000 |
| Eaton | EUA | Mercado norte-americano, conformidade com IEEE 1547 | $34.000–$55.000 |
| Sungrow / Huawei (soluções integradas) | China | Pacotes de inversor + estação em grande escala | $32.000–$58.000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Subestações PV IEC 62271-202, OEM, exportação | $16.000–$35.000 |
Os principais players internacionais e fabricantes de inversores estão agrupando as subestações com suporte de ecossistema, plataformas digitais e equipes de conformidade local, o que é atraente para grandes licitações de utilidades. A Jiangsu Subian Electric Power está fornecendo subestações específicas para PV em conformidade com a IEC (transformadores elevadores, equipamentos de manobra MV/LV, proteção de código de rede e medição equipada com SCADA) a cerca de 40%-55% dos preços válidos para a Europa. Testes de tipo fábrica e personalizações OEM são realizados para contratantes EPC e desenvolvedores de parques solares. Em projetos onde as subestações são uma das dezenas de unidades idênticas, é essa combinação de ser certificado, mais barato e personalizado que torna a Subian um concorrente real para grandes marcas.
Como Especificar e Comprar
- Calcule a capacidade de saída do inversor – ou seja, a soma da capacidade de saída AC em kVA nos terminais do inversor, levando em conta a margem de projeto de 10 a 20% para correção ambiental.
- Estabeleça a tensão de exportação e o ponto de conexão à rede, como 10/20/22/35 kV de coleta, conforme a exigência da utilidade.
- Selecione o tipo de transformador de um dos seguintes – imerso em óleo para aplicações montadas no solo e seco para ambientes fechados ou locais sensíveis ao fogo.
- Verifique os requisitos de conformidade do código da rede, ou seja, tempos de anti-ilhamento, tensão de passagem, capacidade de potência reativa etc., conforme os códigos de rede do seu país.
- Solicite testes completos de acordo com os padrões IEC 62271-202, incluindo teste de temperatura no dispositivo completo.
- Projete o esquema de proteção de acordo com os requisitos do estudo de coordenação de relés. Além disso, solicite redundância na proteção do dispositivo se a capacidade total da planta for superior a 1 MW.
- Compare usando perdas avaliadas e confiabilidade ao longo de 25 anos, em vez do custo inicial.
- Verifique a resistência do invólucro e à corrosão do dispositivo se necessário para locais costeiros, desérticos ou altamente úmidos.
Perguntas Frequentes
O que é uma subestação de nova energia PV?
A subestação de nova energia PV é um tipo de subestação MV/LV fabricada em fábrica e que conecta a planta solar à rede. Ela transforma a tensão AC produzida por um inversor (400 a 800) em tensão MV (10 a 35 kV) e fornece a garantia necessária de conformidade com o código da rede, como funcionalidade de anti-ilhamento e medição da energia consumida. Subestações desse tipo geralmente compreendem um transformador elevador com capacidade variando de 630 a 4.000 kVA, equipamentos de manobra MV e LV, relés de proteção e invólucro fabricado de acordo com os requisitos estabelecidos na IEC 62271-202.
Quanto custa uma subestação PV?
O custo do equipamento completo varia de $12.000 a $25.000 para 630 a 1.000 kVA e de $45.000 a $90.000 para 3.550 a 4.000 kVA. O preço é variável dependendo do tipo de transformador e das chaves utilizadas e do sistema de proteção aplicado. Materiais adicionais utilizados acrescentam aproximadamente 15-30% ao preço, transformadores a seco – 10-20%, tecnologia SCADA – $1.500-5.000. Note que esses preços não incluem transporte, e variações na região são possíveis.
Preciso de uma subestação separada para minha planta solar?
Sim, a menos que o ponto de interconexão seja fornecido pela concessionária. As plantas solares não podem fornecer energia a menos que a energia seja transformada em MV. Para plantas de até 5 MW, geralmente é possível construir apenas uma subestação combinando tecnologias MV/LV. Para plantas maiores, mais de uma subestação será normalmente necessária, além de uma subestação de alta tensão de hidratação.
Qual é a diferença entre uma subestação PV e uma subestação do tipo caixa normal?
A subestação PV difere da substância comum por algumas características adicionais fornecidas para a gestão da energia solar, como a proteção contra operação de anti-ilhamento, manutenção de tensão e frequência, entre outras. Subestações comuns não possuem essas práticas. Substituir uma pela outra requer a preparação do documento de engenharia de proteção e geralmente não atende ao código da rede.
Quanto tempo leva para instalar uma subestação PV?
A instalação em si dura de 2 a 5 dias quando a fundação de concreto e os parafusos estão prontos, e os processos de comissionamento começam na data mais cedo. As vantagens de velocidade dos testes de fábrica são garantidas, desde que a fundação e os cabos sejam precisos. O tempo total para o projeto é de cerca de 8 a 16 semanas a partir do momento da colocação do pedido.
Referências
- IEC 62271-202 — Subestações pré-fabricadas — norma reguladora para o design de invólucro de subestação PV, segurança e testes de tipo de unidade completa.
- Série IEC 60076 — Transformadores de potência — norma base para classificações, perdas e testes do transformador elevador.
- IEEE 1547 — Interconexão de Recursos de Energia Distribuída — requisitos de interconexão e proteção da rede norte-americana.
- IEC 60255 — Relés de medição e equipamentos de proteção — requisitos de precisão e desempenho do relé.
- IRENA — Estatísticas de capacidade renovável — dados sobre o crescimento da capacidade solar e demanda por subestações.
- U.S. DOE — Guias de interconexão de energia solar — requisitos práticos de interconexão para energia solar em escala de utilidade.
- Jiangsu Subian Electric Power — site oficial — fabricante e exportador de subestações PV certificadas pela IEC.
Conclusão
Subestações de nova energia fotovoltaica são a conexão tecnológica entre plantas solares e a rede, e, portanto, tornaram-se uma parte integral da implementação de projetos em escala de utilidade. Elas são fabricadas em fábricas, testadas como uma unidade finalizada e instaladas em vários dias. As subestações são criadas especificamente para atender aos requisitos de diferentes indicadores relacionados à produção de energia solar, incluindo flutuações de tensão, necessidades de proteção e requisitos do código da rede.
Resumo das informações:
- — fabricante e exportador de subestações fotovoltaicas certificadas pela IEC.
- As subestações de nova energia fotovoltaica são a conexão tecnológica entre usinas solares e a rede, e, portanto, tornaram-se uma parte integral da implementação de projetos em grande escala. Elas são fabricadas em fábricas, testadas como uma unidade final e instaladas em vários dias. As subestações são criadas especificamente para atender aos requisitos de diferentes indicadores relacionados à produção de energia solar, incluindo flutuações de tensão, necessidades de proteção e requisitos de código de rede.
- Resumo das informações:.
- Selecione as classificações de potência da subestação em termos de capacidade do inversor aumentada em 10-20% e verifique o nível de tensão em relação à tensão aceitável pela concessionária o mais rápido possível.
- Certifique-se de que havia alguém responsável por considerar se as unidades de distribuição padrão poderiam ser substituídas por tecnologia específica para fotovoltaicos.