Transmisión HVDC CAPÍTULO 2

Transcripción

1 CAPÍTULO 2 Transmisión HVDC Los sistemas de transporte con cable en HVAC se utilizan ampliamente en distancias cortas, de hasta km, ya sean subterráneas o submarinas, ya que en este rango de distancias tienen costes más bajos que la tecnología HVDC. Un inconveniente importante de los sistemas con cable en HVAC es la máxima distancia de transporte viene limitada por el propio consumo de potencia reactiva de la línea. Por otro lado, los sistemas basados en HVDC no tienen limitación práctica de la distancia de transporte y necesita menos longitud de cableado que su equivalente en HVAC. Esto produce una reducción de los costes de cable y de instalación, así como de impacto ambiental y la tasa de fallo, lo que reduce también los costes de mantenimiento. La tecnología HVDC (ya sea LCC o VSC) tiene muchas ventajas técnicas, en comparación con la tecnología de HVAC que pueden ser muy importantes si se espera que la contribución de las plantas eólicas marinas juegue un papel importante en el sistema de generación de energía eléctrica y en la estabilidad de la red. Estas ventajas son [12] [31]: Las pérdidas en los cables de CC son menores que en los de CA para las largas distancias. La tecnología HVDC hace posible la conexión asíncrona entre los parques eólicos marinos y las redes en tierra firme. La frecuencia y la fase de ambos extremos de transmisión no necesitan estar sincronizados debido a que el enlace de CC entre ellos desacopla los sistemas. Los huecos de tensión en la red y otros fallos no tienen un efecto directo en el funcionamiento de los generadores de la planta eólica marina, y por lo tanto, hay una mayor flexibilidad en el diseño de estas unidades. La tecnología HVDC permite un control casi instantáneo e independiente sobre las potencias activa y reactiva transmitidas y puede contribuir al control de la frecuencia de la red. La tecnología HVDC-VSC puede controlar la potencia activa y reactiva en forma independiente. Por lo tanto, es posible controlar tanto las tensiones

2 20 CAPÍTULO 2. Transmisión HVDC del lado de CA y de CC del convertidor. Esta característica es muy útil cuando el sistema está conectado a una red débil de CA. A diferencia de HVAC, la tecnología HVDC no aumenta la potencia de cortocircuito del sistema de CA al que se conecta. Los sistemas HVDC también tienen inconvenientes con respecto a la tecnología tradicional HVAC [12][31]. El inconveniente principal es el coste de las instalaciones. Éstos son, en general, las variables más importantes a la hora de escoger entre una tecnología u otra. Para esto, es usual tener en cuenta los costes directos de una instalación (línea, estaciones conversoras, transformadores, etc) y los costes indirectos (pérdidas capitalizadas de la línea). En general, en los sistemas HVDC los costes directos son mayores a los costes que se incurren en HVAC, en especial los costes de las estaciones conversoras y los transformadores Componentes de un Sistema HVDC A continuación, en la Figura 2.1 se presenta una imagen ilustrativa de un sistema HVDC [24]. Figura 2.1. Componentes de un sistema HVDC. Los sistemas HVDC cuenta con dos convertidores de potencia, (uno en cada uno de los extremos de la red), inductancias de línea, filtros de AC a la salida de cada convertidor y cables conductores que comunican la estaciones. Las características de cada uno de estos componentes dependen del tipo de tecnología implementada en la construcción del sistema HVDC Tecnologías HVDC Los sistemas de HVDC se dividen, principalmente, entre la tecnología convencional o HVDC-LCC y la tecnología HVDC-VSC.

3 CAPÍTULO 2. Transmisión HVDC HVDC Convencional o LCC La tecnología convencional HVDC tiene como característica principal que sus convertidores de potencia se basan en semiconductores tales como los tiristores o SCR. La desventaja de este tipo de semiconductores es que estos solo permiten controlar el encendido, no su corte, por lo cual es posible únicamente controlar la potencia activa y no la reactiva. Es por ello por lo que se necesita disponer de bancos de condensadores o compensadores estáticos (SVC) para suministrar la reactiva demandada por la estación. La corriente eléctrica debe circular siempre en una misma dirección a través de los tiristores, lo que implica que para cambiar el flujo de potencia de dirección, la tensión de los convertidores debe cambiar de polaridad. Entre sus ventajas se encuentra la capacidad de manejar muy altas potencias, del orden los 6-7 GW con altos niveles de tensión, 800 kv aproximadamente [24]. Alstom es un fabricante que ha realizado un gran desarrollo de esta tecnología HVDC-VSC El segundo tipo de tecnología HVDC está basada en convertidores de potencia con topología VSC con semiconductores de potencia del tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Aunque este tipo de tecnología no maneja valores de potencia tan altos como la clásica (su potencia se encuentra en el orden de 1 GW con una tensión de aproximadamente 300 kv), posee características especiales que la hacen atractiva a la hora de su implementación [24] [32]: Capacidad de conmutar a altas frecuencias, permitiendo obtener una respuesta dinámica rápida y reduciendo el tipo de armónicos a manejar, por lo cual se pueden dimensionar filtros de menor tamaño, peso y costo. Control independiente de la potencia activa y reactiva. No es necesario implementar dispositivos electrónicos independientes para asistir la conmutación de los semiconductores del convertidor (necesarios en la tecnología clásica basada en tiristores). Debido a que la conmutación de los convertidores se realiza sin necesidad de la referencia de tensión de la red eléctrica (como en HVDC Convencional), los HVDC-VSC pueden modular señales de tensión trifásicas como si fueran un generador (Black Start), aún cuando la red eléctrica de AC haya tenido fallos. La integración con redes de AC permite aumentar su estabilidad y la capacidad de transmisión.

4 22 CAPÍTULO 2. Transmisión HVDC Todas estas características hacen que la implementación de tecnologías HVDC- VSC, resulten atractivas a la hora de mejorar la calidad en la potencia y la estabilidad de la red eléctrica, realizar enlaces con redes pasivas sin generación local (o débiles) y la interconexión entre líneas de transmisión de alterna ya existentes (síncronas o asíncronas). No obstante, cabe resaltar las limitaciones que tienen este tipo de equipos [24]: Altas pérdidas, debidas principalmente a las altas frecuencias de conmutación de los dispositivos que componen sus convertidores. Problemas de interferencia electromagnética y compatibilidad electromagnética (EMI/EMC), debidas a las altas frecuencias de conmutación. Los cables utilizados en este tipo de aplicaciones deben tener características especiales, que los hagan menos vulnerables a las faltas en la línea de transmisión. De forma general puede verse que los sistemas de transmisión basados en HVDC- VSC permiten, además de transmitir gran cantidad de energía, controlar sus características según las necesidades de la red. La tecnología utilizada industrialmente se puede clasificar en dos tipos diferentes, según la empresa fabricante: HVDC PLUS de Siemens El convertidor HVDC PLUS (Power Link Universal Systems) está basado en tipología VSC multinivel. Es capaz de conmutar la DC independientemente de la tensión del lado de alterna, no estando conmutados por la red, y por tanto aplicable la tecnología de modulación por anchura de pulso (PWM). En la Figura 2.2 se muestra un prototipo de la estación. Figura 2.2. Prototipo de estación convertidora DC/AC offshore de 675 MW de Siemens [33].

5 CAPÍTULO 2. Transmisión HVDC 23 El tamaño requerido para una estación convertidora utilizando esta tecnología sería un 20% menor que con la HVDC convencional. Se puede operar en redes de CA con muy bajos niveles de cortocircuito o con cargas pasivas, es robusto con respecto a los fallos de red de CA y sirve como cortafuegos para limitar la propagación de perturbaciones del sistema [33]. HVDC-Light de ABB Los comienzos de su desarrollo se remontan a Esta tecnología está basada en IGBT s con tipología VSC de dos niveles. La onda fundamental de tensión es generada por un PWM, pudiéndose controlar la magnitud de onda y fase de la onda libremente dentro de unos márgenes, lo que permite el control de potencia activa y reactiva. Desde el punto de vista de la red se comporta como un generador síncrono son inercia capaz de controlar la potencia activa y reactiva casi instantáneamente. Actualmente, la tecnología llega ahora a 1200 MW y ± 500 kv [25]. Asociado al concepto HVDC Light de convertidores están los cables poliméricos HVDC Light Cables de aislamiento seco extruido para transmisión a alta tensión en DC. Estos cables constituyen líneas DC de un bipolo de corrientes antiparalelas, lo que elimina el campo electromagnético. Esta tecnología está especialmente indicada para transmisión de energía eléctrica a instalaciones offshore a distancias de la costa de 50 a 100 km [25]. Dado que los filtros requeridos en la tecnología HVDC Light son de pequeño tamaño y que no se requieren compensadores síncronos, las dimensiones de las estaciones convertidoras son reducidas respecto a las estaciones con tecnología tradicional [25]. En la Figura 2.3 se observa una imagen de una estación de ABB. Figura 2.3. Estación convertidora HVDC-Light en el Mar del Norte de ABB.

6 24 CAPÍTULO 2. Transmisión HVDC A modo de resumen, la Tabla 2.1 se muestra una comparativa entre las dos tecnologías, HVDC Convencional y HVDC-VSC [23] [24]. Tabla 2.1. Comparativa entre HVDC Convencional y HVDC-VSC. HVDC Convencional Actúa como una fuente de intensidad constante en el lado DC. La corriente continua es unidireccional. La polaridad de la tensión cambia con el flujo de potencia. La conmutación dentro de los convertidores viene definida por las tensiones AC. Se requieren bancos de condensadores o STATCOM para alimentar de potencia reactiva a las válvulas de conmutación. Requiere de mucho espacio, debido principalmente a los filtros necesarios (para limitar los armónicos y proveer un control de reactiva). HVDC-VSC Actúa como una fuente de intensidad constante en el lado DC. La polaridad de la tensión es unidireccional La dirección de la corriente cambia con el flujo de potencia. No necesita un sistema de conmutación por tensión. Bajos requerimientos de espacio. Los convertidores absorben potencia reactiva. Control independiente de potencia activa y reactiva. Pérdidas bajas ~ 0.8% Pérdidas altas ~ 1.6% Tensión más elevada: ± 800 kv DC Tensión más elevada: ± 500 kv DC 2.3. Modos de Transmisión HVDC Existen varias configuraciones posibles en la transmisión HVDC. La selección de cada configuración dependerá de requerimientos operacionales, flexibilidad de la demanda y coste [34] Conexión Monopolar En esta configuración se utiliza un solo conductor para transmitir la energía eléctrica entre las estaciones convertidoras. Dicha conexión puede tener retorno por cable o por tierra, tal y como se puede ver en la Figura 2.4. Figura 2.4. Esquema de un enlace HVDC-VSC con conexión monopolar (retorno por tierra).

7 CAPÍTULO 2. Transmisión HVDC Conexión Bipolar La conexión bipolar tiene una capacidad de potencia mayor que una conexión monopolar, es el tipo de conexión más utilizado actualmente en los sistemas de HVDC, basados en líneas aéreas. Esta conexión está conformada por dos sistemas monopolares independientes que hacen las veces de polos positivo y negativo, con la capacidad y/o ventaja de poder funcionar independientemente en caso que alguno de ellos falle. Un ejemplo de ello se muestra en la Figura 2.5. Figura 2.5. Esquema de un enlace HVDC-VSC con conexión Bipolar Conexión Back-to-Back Las conexiones back-to-back se utilizan, principalmente, en aquellos casos donde se realiza la conexión de dos sistemas de frecuencias diferentes en el interior de una subestación. La Figura 2.6 enseña un ejemplo de esta conexión. Figura 2.6. Esquema de un enlace HVDC-VSC con conexión Back-to-Back.

8 26 CAPÍTULO 2. Transmisión HVDC Conexión Punto a Punto La conexión se realiza directamente entre dos subestaciones (punto a punto) cuando por razones técnicas, económicas o ambientales la conexión mediante HVDC es mejor que la HVAC. En este caso cada una de las subestaciones del sistema funcionara como un convertidor, ya sea como rectificador o inversor en función de la dirección del flujo de potencia. Es la conexión más utilizada hasta el momento de HVDC Conexión Multiterminal La conexión multiterminal es utilizada cuando se conectan tres o más subestaciones a un sistema HVDC. Existen tres tipos de conexión multiterminal: Paralela: Mediante la conexión multiterminal paralela, todas las subestaciones se encuentran conectadas a una misma tensión, como se puede ver en la Figura 2.7. Se utiliza principalmente cuando las subestaciones superan el 10% de la potencia total de las estaciones rectificadoras. Serie: Al contrario que en la conexión paralela, en la conexión serie, todas las subestaciones se encuentran a una tensión diferente. En este tipo de conexión es importante tener en cuenta el rendimiento de las subestaciones ya que la caída de tensión en cada una afectara la tensión nominal de la red. Mixta: La conexión multiterminal mixta, permite tener subestaciones conectada en configuración tanto serie, como paralelo. Figura 2.7. Esquema de un enlace HVDC-VSC con conexión Multiterminal.

9 CAPÍTULO 2. Transmisión HVDC Conexión Unitaria Se emplea una conexión unitaria cuando la transmisión en DC se realiza directamente en el punto de generación de energía. Se utiliza principalmente en centrales hidroeléctricas o eólicas, en donde es posible alcanzar la máxima eficiencia de las turbinas debido a que, sin importar la velocidad de la turbina, el inversor se encarga de entregar a la red la señal de tensión a la frecuencia fundamental, ya sea 50 o 60 Hz.

10 28 CAPÍTULO 2. Transmisión HVDC