HVDC: principios, tecnologías y aplicaciones

Transcripción

1 Gabriel Olguin, Ph.D. Senior Executive Consultant SKM CIGRE SC B4 representative (CL) HVDC: principios, tecnologías y aplicaciones

2 Objetivo y alcance Objetivo: Proveer una introducción a la tecnología de transmisión HVDC ilustrando los dos principios básicos de conversión comercialmente disponibles: HVDC LCC y HVDC VSC. Alcance: Se presentan las principales partes constituyentes de un proyecto típico HVDC LCCS y se discuten proyectos de referencia Se presentan potenciales aplicaciones en Chile destacando ventajas y desventajas y se discute la potencial aplicación de HVDC en la interconexión SIC-SING.

3 Agenda La guerra de las corrientes AC versus DC Principios de transmisión de potencia en HVAC Introducción a la transmisión HVDC Conversión AC/DC/AC LCC y VSC Partes de una estación HVDC LCC Arreglo típico, patio HVAC, sala de válvulas, transformador convertidor, filtros AC Potenciales aplicaciones en Chile

4 Un poco de historia DC versus AC Para una entretenida descripción de la guerra AC versus DC ver AC/DC: The Savage Tale of the First Standards War by Tom McNichol

5 Principios de transmisión de potencia en HVAC El objetivo del sistema de transmisión es transmitir potencia eléctrica bajo condiciones reglamentadas de calidad (V~1pu) usando líneas aéreas o cables aislados soterrados o submarinos HVAC El sistema de potencia HVAC requiere compensar la potencia reactiva y dado que la carga varía, la compensación de reactivos debe variar Convencionalmente el control de potencia reactiva se efectúa con dispositivos electromecánicos: MSC & MSR El voltaje máximo y mínimo constituyen límites al transporte de potencia El margen de estabilidad angular MEP y otros fenómenos dinámicos también constituyen un límite al transporte de potencia por una línea HVAC La temperatura máxima de diseño o de operación del conductor también constituye un límite al transporte de potencia

6 Principios de transmisión de potencia en HVAC El desempeño eléctrico de una línea HVAC depende del sistema al que está conectado y de los parámetros de la propia línea X L, Y C, R La potencia natural de la línea SIL es un indicador una base para expresar la capacidad de transporte de la línea HVAC, la capacidad real depende la longitud de la línea. SIL= V 2 Z c [W]; sólo depende del V y Zc Z c = z y ; para una línea ideal, Z c = L C ; Para líneas aéreas HVAC Zc: 200 y 400 Ω

7 Valores típicos en líneas aéreas 220kV y 500kV Voltaje nominal 220kV 500kV R (Ω/km) 0,050 0,028 X (Ω/km) 0,407 0,271 B (us/km) 2,810 4,333 Zc (Ω) SIL (MW) (1,2,3,4 conductores/fase) 127/160/200/240 X/800/1000/1250 Q en MVAr/km 0,136 1,08 Frecuencia 50 Hz; R, X y B por fase; SIL y potencia reactiva Q trifásica 7

8 Límite de transporte en pu del SIL HVAC: curva de capacidad de trasporte Los aspectos que limitan el transporte en HVAC pueden ser visualizados en las curvas de cargabilidad térmico 4.0 Reg. V Estabilidad Longitud en kms

9 Fundamentos de la transmisión HVDC HVDC es una opción tecnológica para transmitir potencia eléctrica. Usa electrónica de potencia y control digital en convertidores CA/CC/CA. Existen dos tecnologías: LCC que usa tiristores y VSC que usa IGBT. La capacidad de transporte no depende de la longitud del enlace Sistema AC 1 LCC/VSC convertidor AC<=>CC Vdc1 Vdc2 LCC/VSC Convertidor CC<=>AC Sistema AC 2 Eventual LT AC

10 Fundamentos de la conversión AC/CC LCC 2 x convertidores 6 pulsos Voltaje AC Υ/Y A B C / Voltaje CC A B C Filtros AC Dada la potencia involucrada, los transformadores suelen ser monofásicos de dos o tres enrollados 11

11 Fundamentos de conversión AC-CC LCC

12 Convertidoras HVDC LCC Cerca del 60% del espacio de la convertidora es utilizado por equipamiento HVAC, en particular filtros AC y compensación de potencia reactiva Filtros AC y Comp. Reactiva polo 1 Filtros AC y Comp. Reactiva polo 2 Sala de válvulas

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17 Costos de desarrollo HVDC versus HVAC Inversión + perdidas Solución HVAC Solución HVDC Estaciones conversoras Estaciones HVAC Distancia critica Distancia transmisión

18 Proyectos de referencia: Sistema Itaipú Itaipu Transmission System, 2 x 7500 MW = MW HVAC 7500 MW HVAC 800kV 800 kv 34m 60 Hz 60 Hz HVDC 7500 MW ±600kV HVDC ±600kV ±600kV 34m 50 Hz 60 Hz

19 HVDC: Líneas aéreas

20 Fundamentos de la conversión VSC Modelo por fase +Vdc/2 Idc S1 Iac +Vdc/2 Dos niveles S1- on S2-off -Vdc/2 S2 Vac -Vdc/2 S1- off S2-on Obs.: El voltaje Vac puede ser +Vdc/2 o Vdc independiente de Idc 21

21 VSC trifásico: convertidores de 2 y 3 niveles v v a, b, c a t 0 v a, b, c v a t 22

22 Fundamentos del convertidor multinivel + pole v ac1 v d1 v ac v d1 v ac1 t v ac2 v d 2 v ac2 v ac v d 2 t Necesita el pole (-) t v ac3 v d 3 v d 3 v ac3 t 23

23 Convertidor modular multinivel, MMC + Pole SM SM v ac Phase reactors SM SM Iac t SM SM - Pole 24

24 Convertidores HVDC: LCC y VSC LCC Arreglo de válvulas de tiristores con capacidad de soportar voltaje en ambas polaridades La polaridad del voltaje del convertidor puede ser invertida (para invertir el flujo de potencia en el enlace HVDC) La dirección de flujo de la corriente no cambia El semiconductor puede ser encendido por acción de control El bloqueo del semiconductor depende del voltaje de línea o red VSC Arreglo de módulos de válvulas tipo transistores (IGBT) con capacidad de conducir corriente en ambos sentidos La corriente puede invertirse (para cambiar la dirección del flujo de potencia en el enlace HVDC) La polaridad del voltaje en el enlace DC no cambia El semiconductor puede ser desbloqueado y bloqueado por control El bloqueo del semiconductor no depende de la red

25 Convertidores HVDC: LCC y VSC LCC HVDC Alta capacidad de potencia Alguna capacidad de sobrecarga Requiere un sistema AC fuerte Partida autónoma compleja y depende de equipo adicional Genera distorsión armónica, requiere filtros AC y CC Requiere compensación de reactivos por hasta 60% de la potencia Requiere una gran extensión de terreno dominada por los filtros AC y compensación de reactivos VSC HVDC Menores ratings (2013) Sin capacidad de sobrecarga Opera en sistemas débiles Partida autónoma factible Bajo contenido armónico, eventualmente no requiere filtros Puede proveer potencia reactiva (STATCOM) Menor espacio: entre 50 60% del terreno para una estación LCC

26 Convertidores HVDC: LCC y VSC LCC HVDC Componente CC de voltaje requiere de transformador convertidor Pérdidas de potencia bajas 0.8% Costo menor Confiabilidad probada Tecnología madura Dirección de la potencia es invertida por polaridad del voltaje Requiere el uso de cables MI VSC HVDC Transformadores más convencionales debido al bajo contenido de componente CC Pérdidas de potencia mayores Costo de inversión mayor Confiabilidad por probar Tecnología menos madura Dirección de la potencia controlada por dirección de la corriente Ideal para uso con cables XLPE

27 HVDC: Madeira Potencia: 2x3150MW & 2x400MW (back-to-back) Voltaje AC: 500 kv Back-to-back: 500 kv and 230 kv Voltaje DC: ± 600 kv Longitud de las líneas: 2,500 km Razón para selección HVDC LCC: transmisión de larga distancia

28 Western interconector Interconexión submarina entre Escocia e Inglaterra. HVDC LCC, 420km, 2200MW, +/-600kV. Entrara en operación a fines del 2015

29 Visión de la State Grid Corporation of China Ref.: CIGRE 2012 Paris

30 HVDC en Chile La CNE escogió HVDC como la tecnología más apropiada para la interconexión SIC-SING 1500 Dos proyectos, ambos en el extremo sur de Chile han estudiado y seleccionado la tecnología HVDC para transportar grandes bloques de potencia al SIC. HidroAysén: 2750MW Energía Austral: 1000MW Otras : Chile-Perú (60Hz)

31 Interconexión SIC-SING Resoluciones Exentas CNE N 20 y 29, de fecha 11 y 17 de enero de 2013, Plan de Expansión del Sistema de Transmisión Troncal Período Obra Nueva Interconexión Troncal HVDC SIC-SING, mediante una línea de transmisión bipolar de 610 km HVDC MW en ±500kV, entre la S/E Cardones y la S/E Nueva Encuentro, y la construcción de estaciones conversoras HVAC/HVDC en cada uno de los extremos. El 31 de enero empresas del sector presentan discrepancias al Panel de Expertos: tecnología, puntos de interconexión y pertinencia de la obra de interconexión en un plan de expansión troncal El Panel resuelve que CNE no tiene atribuciones para indicar interconexión entre sistemas independientes

32 Proyecto de Ley El proyecto de ley propone modificar el articulado de la Ley General de Servicios Eléctricos con objeto de: Incluir expresamente las interconexiones y permitir indicarlas como nuevas obras de transmisión troncal dentro del Estudio de Transmisión Troncal (ETT); Facultar a la Comisión Nacional de Energía para incorporar en su informe técnico a las interconexiones que hayan sido recomendadas por dicho estudio; Permitir la inclusión de interconexiones dentro del Plan de Expansión Anual, y ordenar a las direcciones de peajes de los Centros de Despacho Económico de Carga que, conjuntamente, lleven a cabo la licitación y adjudicación de las líneas de interconexión contempladas en el decreto de expansión anual de la transmisión troncal. El proyecto de Ley fue aprobado en la camara de diputados el martes 17 de diciembre de 2013

33 Reflexiones finales El transporte por las líneas de transmisión HVAC queda limitado por uno de los siguientes criterios: térmico, regulación de tensión y estabilidad. La creciente demanda de energía eléctrica y limitada posibilidad de expandir el sistema de transmisión hace necesario incorporar tecnologías más eficientes y efectivas de modo de transmitir más potencia por limitados corredores existentes La transmisión HVDC permite incrementar la transferencia por corredores existentes. Existen dos tecnologías: VSC y LCC La Interconexión SIC-SING podría ser el primer proyecto HVDC en Chile, siempre y cuando la guerra de las corrientes AC versus DC termine por definir HVDC como la tecnología ganadora