Transporte CCAT Light basado en convertidores con circuito intermedio de tensión

Transcripción

1 Transporte CCAT Light basado en convertidores con circuito intermedio de tensión Hasta ahora, las líneas de corriente continua de alta tensión (CCAT) han servido casi exclusivamente para transportar grandes potencias a largas distancias. La unión CCAT «Light» es una nueva tecnología de transporte de energía, basada en convertidores con circuito intermedio de tensión y transistores bipolares con puerta aislada, que reduce a varios megawatios la gama de potencias para un transporte económico. Además de ser una alternativa competitiva al transporte convencional de corriente alterna y a la producción local de electricidad, por ejemplo en zonas aisladas o en pequeñas islas, esta nueva tecnología ofrece nuevas posibilidades para mejorar la calidad del suministro con las redes eléctricas de corriente alterna. E l desarrollo de la tecnología de transporte de corriente continua de alta tensión (CCAT), utilizada actualmente, comenzó a finales de la década de los años veinte. En 95 entró en servicio el primer enlace CCAT comercial del mundo en Suecia, entre la isla de Gotland y tierra firme. La válvula de tiristores, introducida a principios de los años setenta, ha sido desde entonces la innovación más importante en este campo. Aunque el intenso trabajo de desarrollo ha permitido mejorar el transporte de CCAT a lo largo de los años y se ha conseguido alcanzar un nivel bajo de pérdidas, mejorar los mandos y las protecciones, reducir los armónicos y los sonidos audibles, la tecnología base sigue siendo la misma desde que se construyó el primer enlace en la isla de Gotland. La tecnología actual tiene todavía algunos puntos débiles que resultan relativamente caros de superar y que en cierta medida limitan la utilización de la tecnología CCAT. El mayor problema es la necesidad de máquinas rotatorias en la red receptora con el correspondiente riesgo de fallos en la conmutación, durante los cuales se interrumpe el transporte durante varios periodos. Gunnar Asplund Kjell Eriksson Kjell Svensson ABB Power Systems AB Tecnología de convertidores con circuito intermedio de tensión Los enlaces CCAT fueron desarrollados originalmente a partir de tecnologías utilizadas en sistemas de accionamientos industriales. Será útil examinar lo que sucede en este sector para ver en qué dirección podría ir el desarrollo de esta tecnología. La tecnología de convertidores con conmutación de fases (PCC, Phase Commuted Converter), la más utilizada actualmente para el transporte CCAT, ha sido sustituida casi totalmente en la industria por la tecnología VSC (Voltage Sourced Converters) de convertidores con circuito intermedio de tensión. La diferencia fundamental entre estas dos tecnologías es que los convertidores VSC necesitan componentes que además de conmutar la corriente, como es el caso de las unidades PCC, también puedan interrumpirla. Dado que con una unidad VSC es posible interrumpir la corriente, no es necesario disponer de fuente de tensión de conmutación activa en el lado de la red alimentada. Así resulta más fácil controlar la velocidad de un motor, algo fundamental para los accionamientos. Una posibilidad de aplicación de la tecnología VSC en el transporte de CCAT podría ser la alimentación de redes «muertas», es decir, de secciones sin máquinas rotatorias o en las que las potencias de cortocircuito de las máquinas rotatorias son muy bajas. Modulación de impulsos en duración Si los componentes de conmutación disponibles sólo pueden conmutar frecuencias bajas, la conmutación a la frecuencia fundamental (FFC, Fundamental Frequency Commutation) será probablemente la tecnología más adecuada. Para reducir los armónicos, los convertidores deben ser divididos en varios convertidores más pequeños que funcionan con desfase. De esta manera se puede conseguir un funcionamiento con, ó 8 impulsos y se puede reducir la generación de armónicos proporcionalmente al número de impulsos. En estos casos resulta necesario contar con transformadores relativamente complejos para conectar los convertidores. Si se dispone de componentes capaces de soportar frecuencias de conmutación más elevadas, la tecnología PWM de modulación de impulsos en duración se convierte en una opción válida. Este caso basta con un solo convertidor, ya que la tensión alterna se produce conmutando con gran rapidez entre dos tensiones fijas. Para obtener la tensión a la frecuencia fundamental deseada se necesitan filtros de paso bajo. Esta tecnología simplifica la configuración del transformador, dejando de ser necesario instalar un transformador para el convertidor,. Revista ABB /998

2 U DC U t Una fase de un convertidor con circuito intermedio de tensión (VSC), con modulación de impulsos en duración (PWM) Patrón de la modulación de impulsos en duración y tensión de la frecuencia fundamental de un convertidor con circuito intermedio de tensión U DC Tensión alterna Tensión continua Tensión continua del circuito intermedio del convertidor Condensador CC Válvula IGBT Reactancia del convertidor Filtro t U Tiempo Tensión Tensión alterna Tensión continua del convertidor con modulación de impulsos en duración Con la modulación PWM es posible modificar, casi instantáneamente y dentro de ciertos límites, la configuración PWM para obtener cualquier ángulo de fase o cualquier amplitud. Dado que la modulación permite controlar independientemente la potencia activa y la potencia reactiva, el convertidor con circuito intermedio de tensión para modulación PWM es prácticamente el componente ideal para las redes de transporte de energía. Desde el punto de vista del sistema actúa como motor o como alternador sin masa y es capaz de controlar casi instantáneamente las potencias activa y reactiva. Además, puesto que también puede controlarse la corriente alterna, el convertidor no contribuye a la potencia de cortocircuito. Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) Considerando las ventajas enumeradas hasta ahora, es posible preguntarse por qué no se produjo hace tiempo la transición de la tecnología PCC a la tecnología con circuito intermedio de tensión y modulación PWM. La razón es que, hasta ahora, ninguno de los componentes semiconductores disponibles en el mercado era suficientemente bueno para esta misión. Un componente que cuenta con interesantes posibilidades para las aplicaciones CCAT es el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). Al ser un elemento semiconductor de óxido metálico (MOS) necesita muy poca potencia para su control (comparable a la potencia utilizada para controlar las válvulas de tiristores conmutadas por fases (PCTV, Phase Controlled Thyristor Valves), que pueden ser alimentadas por los circuitos de protección contra las sobretensiones). Esto hace posible la conexión en serie, con una óptima distribución de la tensión incluso con frecuencias de conmutación del orden de khz. El desarrollo de los IGBT ha progresado muy rápidamente; la tensión nominal ha alcanzado ya los,5 kv y para el próximo futuro se espera conseguir tensiones más altas. El mercado para los IGBT está creciendo, lo cual amplía la base de conocimientos de esta tecnología. El uso de los IGBT en las aplicaciones CCAT ha sido escaso hasta ahora, ya que su campo de aplicación aún no es comparable al de los tiristores por conmutación de fase disponibles actualmente. El proyecto Hellsjön El proyecto Hellsjön es el primer caso en el mundo de sistema de transporte de CCAT basado en circuitos intermedios de tensión. Las estaciones de convertidores de esta instalación experimental, dimensionadas para MW y ± 0 kv de corriente continua, están conectadas a partes separadas de una red de corriente alterna, existente, de 0 kv. El enlace funciona entre Hellsjön y Grängesberg (Suecia Central), en una línea de 0 km de longitud para corriente alterna de 50 kv que se encuentra temporalmente fuera de servicio. Convertidor El convertidor de cada una de las estaciones está formado por un puente, una reactancia del convertidor, un condensador CC y un filtro CA 5. El puente es del tipo de seis impulsos, en dos niveles, con unidades IGBT conectadas en serie en cada una de las válvulas. Cada uno de los IGBT está provisto de un diodo antiparalelo. Las válvulas, las barras CC y los condensadores CC se caracterizan por haber sido diseñados con baja inductividad, lo cual reduce la sobretensión en la válvula durante la desconexión. La potencia auxiliar para la unidad de mando de la puerta proviene de la tensión en los bornes del IGBT. Los semiconductores son refrigerados con agua desionizada. Las órdenes de conexión y desconexión para cada uno de los IGBT se envían desde el equipo de control, que se encuentra en el potencial de tierra, por medio de una línea de fibra óptica. Revista ABB /998 5

3 P = U g U n sinδ X donde X es la impedancia de la reactancia del convertidor. El flujo de potencia reactiva Q viene determinado por la amplitud de U g de acuerdo con la siguiente fórmula. La amplitud es controlada por la duración del impulso de la tensión de salida del puente del convertidor: 5 Q = U g (U g U n cosδ) X La tensión máxima fundamental proporcionada por el convertidor depende de la tensión continua. Instalación experimental de Hellsjön, Suecia. La primera línea de transporte CCAT Light del mundo ha sido diseñada para MW ( 0 kv. Aprovecha una línea CA de 0 kilómetros de longitud que temporalmente se encuentra fuera de servicio. Filtro CA Equipo de mando y regulación Reactancia del convertidor 5 Sistema de refrigeración Válvulas y equipo CC Las ventajas más importantes de un convertidor IGBT son las siguientes: Puerta de impedancia elevada: la conmutación requiere muy poca energía. Alta frecuencia de conmutación, con bajas pérdidas en la misma. La misión más importante del condensador de CC es proporcionar una unión poco inductiva para la corriente desconectada y una posibilidad de acumular energía para el control del flujo de potencia. El condensador reduce también los armónicos en el lado de CC. El convertidor genera armónicos característicos dependientes de la frecuencia de conmutación. Las corrientes de armónicos son bloqueadas por la reactancia del convertidor y el contenido en armónicos de la tensión en la barra de CA se reduce por medio de un filtro de paso alto. La tensión a la frecuencia fundamental a través de la reactancia del convertidor determina el flujo de energía entre los lados alterno y continuo. Control El mando de encendido del convertidor calcula la integral tensión-tiempo a través del convertidor, necesaria para modificar la corriente que pasa por la reactancia desde su valor instantáneo hasta su valor de referencia. La orden de corriente para el mando de encendido se calcula a partir de la orden de ajuste potencia-corriente o a partir de las señales de entrada recibidas desde la regulación de tensión continua. El sistema calcula una tensión de referencia, igual en fase y amplitud a la componente de la frecuencia fundamental de la tensión de salida de puente U g. La forma de la impulsión está producida por PWM, la modulación de impulsiones en duración. La tensión de referencia se compara con la de una onda portadora triangular. Si la tensión de referencia es mayor que la de la onda portadora, el borne de fase se conecta al borne positivo de corriente continua. Si es menor, se conecta al borne negativo de corriente continua. La potencia activa P que fluye entre el convertidor y la red de alterna se regula modificando el ángulo δ entre la tensión a la frecuencia fundamental U g producida por el convertidor y la tensión U n en el bus de AC. Admitiendo que la reactancia no tiene pérdidas, P se calcula de acuerdo con la siguiente fórmula: Funcionamiento La estación de convertidor puede ser controlada a distancia y vigilada desde cualquiera de las dos estaciones, o desde cualquier otro punto por medio de la línea telefónica. Al comenzar el transporte, las dos estaciones pueden activarse por separado. Dado que los interruptores automáticos de CA están cerrados, los juegos de barras de CC son alimentados por los diodos antiparalelos del puente. Si las unidades de control de la puerta están encendidas, se pueden conectar los convertidores de dos estaciones por los interruptores automáticos del lado CC. El primer convertidor liberado controla la tensión continua, con lo cual se desbloquea el segundo convertidor y se inicia el transporte de potencia activa. En régimen de funcionamiento normal, cada una de las estaciones controla independientemente su flujo de energía reactiva. No obstante, el flujo de potencia activa en la red CC debe estar equilibrado, lo cual quiere decir que la potencia activa que abandona la red ha de ser igual a la potencia activa recibida por la red menos las pérdidas en el sistema. Cualquier diferencia daría lugar a un rápido aumento o disminución de la tensión CC del sistema. Para garantizar el equilibrio de potencias, una de las estaciones controla la tensión continua. Esto quiere decir que la otra estación debe estar en condiciones de regular la potencia activa dentro de los límites dados por el sistema y que la estación que controla la tensión regula su señal de potencia de forma que quede ase- 6 Revista ABB /998

4 gurado el equilibrio (es decir, una tensión continua constante). El equilibrio se consigue sin comunicación entre las estaciones; se basa únicamente en las mediciones de la tensión continua. Hellsjön 50 kv 0 kv +0kV Grängesberg 0 kv 50 kv Perturbaciones en el sistema Si un convertidor se bloquea bajo carga elevada, antes de presentarse el fallo la potencia fluye de la red CC a una red CA, la energía almacenada en la inductancia del circuito carga los condensadores CC y la tensión continua aumenta. La estación que controla la tensión continua reacciona reduciendo o incluso invirtiendo el flujo de potencia activa en el sistema CC para mantener el nivel de la tensión continua. El convertidor en servicio puede proseguir su actividad como compensador SVC de potencia reactiva estática y ajustar el flujo necesario de potencia reactiva Si la potencia activa circula en sentido inverso, en caso de fallo de un convertidor se reducirá la tensión continua. El convertidor que siga funcionando se encarga de controlar la tensión continua y la restablece. Al mismo tiempo regula el flujo de potencia reactiva necesaria. En caso de fallo a tierra en el sistema CA, el regulador reduce rápidamente la tensión a la frecuencia fundamental hasta que la corriente tiene el mismo valor que antes del fallo. ~ El enlace CCAT de convertidores con circuitos intermedios de tensión entre Hellsjön y Grängesberg. La energía P puede fluir en ambos sentidos, como indican las flechas. No hay ningún generador en la estación de Grängesberg, que está conectada a la red principal. Funcionamiento de la instalación El enlace CCAT ha estado en funcionamiento de prueba desde mediados de marzo de 997, habiéndose realizado desde entonces un extenso programa de ensayos. La experiencia operacional ha sido totalmente positiva. El enlace es muy estable y funciona como se había previsto, en condiciones tanto normales como transitorias. Las mediciones realizadas indican que los convertidores serán capaz de cumplir los requisitos sobre nivel de ruidos, contenido de armónicos, perturbaciones telefónicas y campos electromagnéticos. 0 kv P = MW Características de los enlaces CCAT con circuito intermedio de tensión Los enlaces basados en circuitos intermedios de tensión son adecuados para numerosas aplicaciones para las cuales, hoy por hoy, las unidades CCAT convencionales no son competitivas, ni técnica ni económicamente. La sencillez de los circuitos intermedios de tensión permite conseguir un diseño de la instalación compacto, muy resistente mecánicamente, con los equipos de convertidores alojados en carcasas modulares sim- Pruebas del sistema en fábrica Los convertidores se pusieron en servicio por separado para funcionar más tarde como compensador de potencia reactiva, produciendo o consumiendo potencia reactiva. Todas las funciones de control y de vigilancia fueron verificadas de esta manera. Más adelante, los dos convertidores fueron conectados entre sí por el lado de corriente continua para constituir una línea, alimentada por la misma red alterna de 0 kv. Antes de entregarlos en obra fueron sometidos a prueba con una alta potencia activa, fluyendo esta de la red alterna hacia el lado de corriente continua a través de un convertidor, a través del segundo convertidor y volviendo de nuevo a la red alterna. La red alterna tenía que aportar sólo la diferencia de potencia, es decir, las pérdidas sobrevenidas en el circuito. Equipo principal de una instalación de transporte típica Filtro CA Condensador de conmutación Reactancia del convertidor 5 Conexión del cable Válvula del convertidor 6 Convertidor Revista ABB /998 7

5 C Modelo de una estructura típica de estación de convertidor de 0 MW Filtro CA Conexión CA Reactancias del convertidor Comparación de los costes típicos del transporte CA y CC y de la producción local con alternador diesel (base: 0 MW) C D beis azul rojo verde Coste por kw/h Distancia desde la red CA Producción local con diesel CA más línea aérea CCAT Light con cable Costes de energía para la red CA 6 7 ples 6. Una estación de convertidor basada en esta técnica, con potencia nominal de 0 MW como máximo y tensión inferior a ±0 kv, necesita menos de 50 m superficie. Su diseño modular permite montar y cablear los equipos en fábrica y realizar todo tipo de pruebas antes de proceder a su envío. Las simplificaciones técnicas, como los filtros reducidos, la ausencia de transformador o los transformadores simples, la menor cantidad de aparatos de maniobra y la reducción de obra civil contribuyen a conseguir economía de espacio y sencillez del funcionamiento. La ejecución de la planta se basará en un conjunto de dimensiones estandarizadas y de planos ya existentes, con lo que se simplificará el trabajo de ingeniería. Prácticamente todos los equipos para un proyecto normal pueden definirse ya desde el principio. La simplicidad de los circuitos permite construir estaciones cuyo mantenimiento no exige ponerlas fuera de servicio. El mantenimiento rutinario puede limitarse a la inspección de elementos determinados del equipo, como las bombas, los ventiladores, los depósitos de resina y las baterías. Los sistemas de diagnóstico integrados detectan y comunican automáticamente los fallos, lo cual facilita una rápida identificación y sustitución de los componentes defectuosos. Aplicaciones La instalación experimental de Hellsjön ha permitido ganar numerosos conocimientos sobre la capacidad que podría instalarse en el futuro próximo. Actualmente es posible diseñar instalaciones CCAT con técnica de circuito intermedio de tensión para potencias de hasta unos 50 MW. Posibles aplicaciones económicas son el suministro de energía para consumidores en situación aislada, así como la conexión de centrales eléctricas situadas a gran distancia y el enlace dos a dos de pequeñas potencias entre redes síncronas. D Pequeños consumidores aislados Con frecuencia, las pequeñas poblaciones aisladas no están conectadas a la red eléctrica, sino que obtienen su energía de caras instalaciones generadoras locales. El con- 8 Revista ABB /998

6 cepto de enlaces CCAT con circuito intermedio de tensión permitirá unir muchas de estas pequeñas poblaciones a la red principal, proporcionándoles así electricidad limpia y barata. Otra ventaja medioambiental es que se pueden aprovechar los cables extraídos de corriente continua que se encuentran enterrados. El proyecto Hellsjön ha mostrado que el coste de los enlaces subterráneos hechos con este tipo de cables son del mismo orden que los de las líneas aéreas 7. Además, la red receptora puede funcionar de manera pasiva, ya que el convertidor con circuito intermedio de tensión proporciona una tensión alterna con amplitud y frecuencia controlables. Suministro eléctrico para islas A menudo, las islas de pequeño tamaño dependen de plantas generadoras diesel para su suministro de energía. Con un enlace CCAT y cables extrusionados de buen precio es posible suministrar electricidad barata desde la red continental, prescindiendo así de las centrales diesel. Suministro de energía a los centros urbanos Ampliar la capacidad del transporte de electricidad a los centros urbanos por medio de líneas de CA es bastante costoso y con frecuencia es muy difícil conseguir las autorizaciones necesarias para construir nuevos trazados. Un cable de corriente continua no sólo ocupa menos espacio que una línea general de CA, sino que además transporta más potencia que un cable CA y, a menudo, es la única solución práctica para los centros urbanos que necesitan más energía. Pequeñas centrales en situación remota Normalmente, las instalaciones remotas a pequeña escala, como las de energía hidráulica de baja presión y las centrales eólicas, no han sido viables económicamente debido a los elevados costes de funcionamiento y a la reducida capacidad de transporte de las líneas de corriente alterna. Un enlace CCAT con técnica de circuito intermedio de tensión permite aumentar la capacidad y reducir los costes de transporte. Las pequeñas centrales alejadas pueden ser conectadas a la red principal o servir para suministrar a consumidores alejados, optimizando así el uso de las fuentes de energías renovables. Generación de electricidad off-shore Actualmente, las plataformas petrolíferas situadas en alta mar queman el exceso de gas en lugar de utilizarlo para generar electricidad que podría alimentarse a la red de tierra. Esto se debe a que los sistemas de transporte no son lo suficientemente económicos. La técnica de convertidores con circuito intermedio de tensión, combinada con cables CCAT extrusionados, es una solución válida para este caso y permitiría evitar el derroche de un recurso valioso. Multi - terminal La salida de un convertidor con circuito intermedio de tensión tiene siempre la misma polaridad, lo que permite integrarlo fácilmente en un sistema multiterminal. Se puede conectar un número indeterminado de convertidores de este tipo, con polaridad fija, a un bus de corriente continua para formar una red CC mallada con la misma topología que una red CA. Conexiones intermedias Las conexiones intermedias, que representan un caso especial de los sistemas multiterminales, se integran automáticamente en las instalaciones CCAT con convertidores con circuito intermedio de tensión. Como alternativa a la instalación de una conexión intermedia a tierra se podría utilizar el conductor de blindaje de una gran instalación de transporte CCAT bipolar para constituir un enlace CCAT separado, con circuito intermedio de tensión. Resumen El permanente desarrollo de los semiconductores de potencia y, en especial de las unidades IGBT, ha desembocado en las instalaciones CCAT Light, basadas en convertidores con circuitos intermedios de tensión, para potencias bajas, que son económicamente viables para gran número de aplicaciones. Los enlaces CCAT Light auguran mejoras de la calidad de la energía, ya que resuelven los problemas de caída de tensión en las líneas de distribución de CA de gran longitud. En combinación con nuevos algoritmos de regulación, estos sistemas ofrecen prestaciones de nuevo tipo gracias a la reducción de las fluctuaciones de tensión. Entre las grandes ventajas de los enlaces CCAT con circuito intermedio de tensión se encuentran: El suministro a los consumidores pasivos de CA puede hacerse con una fuente de corriente continua. Las potencias activa y reactiva pueden regularse por separado. Los convertidores con circuitos intermedios de tensión no contribuyen a la energía de cortocircuito. No hay necesidad de comunicación rápida entre las estaciones. Configuración compacta con pequeñas dimensiones. Gracias a todas estas ventajas, el sistema CCAT Light se ha convertido en una alternativa muy interesante a la producción local de energía o al transporte convencional de corriente alterna. Bibliografía [] G. Asplund, K. Eriksson, K. Svensson: DC transmission based on voltage sourced converters. CIGRE SC Colloquium, South Africa, 997. Dirección de los autores Gunnar Asplund Kjell Eriksson Kjell Svensson ABB Power Systems AB P.O. box 70 S Ludvika Telefax: gunnar.asplund@sepow.mail.abb.com kjell.eriksson@sepow.mail.abb.com kjell.svensson@sepow.mail.abb.com Revista ABB /998 9