HVDC 2000, una nueva generación de instalaciones CCAT

Transcripción

1 HVDC 2000, una nueva generación de instalaciones CCAT Funcionamiento más estable, reducción de plazos de construcción y montaje y menores costes de mantenimiento: estos son los objetivos que se perseguían al desarrollar el sistema «HVDC 2000». Esta nueva generación de instalaciones de transporte de corriente continua de alta tensión (CCAT) se basa en ideas ya conocidas aprovechando los conocimientos disponibles. Por fin se ha hecho posible la realización económica de los distintos módulos con una concepción avanzada y más rápida de la electrónica, de la protección contra sobretensiones y de los programas de ordenador necesarios. L a nueva generación de instalaciones de transporte de corriente continua de alta tensión «HVDC 2000» comprende convertidores de potencia conmutados por condensadores, filtros de corriente alterna «ConTune» ajustados automáticamente, filtros activos de corriente continua, transformadores ópticos de medición para corriente continua y electrodos para esta a tierra profunda. Este artículo describe el concepto en que se basa el sistema; en posteriores artículos se describirán los distintos módulos que lo componen. Compensación en serie de onduladores Durante los últimos cuarenta años se han descrito varias veces las ventajas de la compensación en serie de onduladores. Una de las grandes ventajas de esta técnica, considerando la red de corriente alterna alimentada, es que el consumo de potencia reactiva se mantiene prácticamente constante en todo el dominio de cargas. Pero sólo ahora, una vez desarrollado el filtro automático de corriente alterna «Con- Tune», que proporciona un filtrado excelente con un condensador relativamente pequeño y por tanto produciendo poca potencia reactiva, se ha hecho posible usar en la práctica los convertidores de potencia (CCC) compensados en serie 1. Una diferencia esencial respecto de los equipos convencionales reside en el hecho de que un filtro «ConTune» ede conec- tarse y desconectarse al mismo tiempo que el ondulador. Un ondulador convencional conmutado por red necesita normalmente cierto número de bancos de filtros y reactancias que se conectan y desconectan en función de la carga 2. Otra condición para la compensación en serie de onduladores es que los nuevos sistemas de vigilancia estén formados por miniordenadores muy rápidos y procesadores de señales digitales. El sistema HVDC 2000 contribuye además de forma esencial a mejorar la estabilidad de la regulación del transporte de energía, sobre todo si está conectado a una red de alterna con potencia de cortocircuito relativamente baja. La mayor estabilidad de la regulación tiene como consecuencia un funcionamiento más seguro en caso de transporte con cables de corriente continua de gran longitud. En las redes de corriente alterna hay menos riesgo de que el sistema sufra perturbaciones, lo cual reduce la probabilidad de errores de conmutación. Las sobretensiones dinámicas en caso de desenganche de carga Bertil Ärnlöv ABB Power Systems AB son más bajas y además mejora el efecto filtrador, tanto de la corriente continua como de la alterna. Reducción de plazos para la realización del proyecto Puesto que el sistema HVDC 2000 utiliza soluciones estandarizadas, los plazos para la realización de los proyectos son más cortos que en las instalaciones CCAT precedentes. Además, el sistema tiene una configuración más simple y, debido al menor número de piezas, el montaje es más rápido. Por otra parte, la instalación del sistema HVDC 2000 necesita menos espacio, es los nuevos componentes son más compactos, con lo que además se reducen los costes del terreno. La menor altura constructiva del sistema permite instalarlo en paisajes que resultarían demasiado afectados por sistemas convencionales. Convertidores de potencia conmutados por condensadores ABB ha denominado «Capacitor Commutated Converter» (CCC) los convertidores de potencia compensados en serie, ya que conectar el condensador en serie entre el transformador del convertidor y el ente de válvulas tiene una influencia directa sobre el proceso de conmutación. El condensador en serie ede integrarse en la instalación de tres formas distintas: en el lado de entrada de la línea de corriente alterna, entre la barra colectora del filtro y el transformador del ondulador, o entre el transformador del ondulador y el ente de válvulas. ABB ha tenido varias razones para decidirse por estas posibilidades. Tanto en funcionamiento estacionario como transitorio, el condensador está sometido a solicitaciones pequeñas, esto que la corriente que circula por él está determinada por la válvula que tiene conectada en serie. Este circuito elimina también el riesgo de ferrorresonancia, en caso de sobretensión o de grandes cargas debidas a las corrientes homopolares, cuando se producen fugas a tierra en la red de corriente alterna. Para proteger el condensador contra las sobretensiones se precisa un pequeño varistor. 10 Revista ABB 3/1996

2 Ventajas de los onduladores conmutados por condensadores El uso de CCC aumenta la estabilidad de la regulación. Esto permite explotar las instalaciones CCAT con redes que tienen una potencia de cortocircuito menor de lo habitual hasta ahora 3. El condensador de conmutación provoca un aumento de la tensión de la red, de modo que la tensión de conmutación determinante para las válvulas es algo mayor y tiene un ligero desfase. Visto desde la válvula, esto produce un margen de conmutación mayor en el ondulador, pero no mayor diferencia en el rectificador. Considerando la red, el ángulo de retraso de la orden se reduce tanto en el rectificador como en el ondulador, lo cual provoca un menor consumo de potencia reactiva. En funcionamiento con ondulador, las nuevas condiciones de conmutación significan que la característica U d / tiene pendiente positiva 4, lo cual mejora esencialmente la estabilidad de la regulación. Una instalación CCC es menos susceptible a las perturbaciones que las instalaciones CCAT usuales hasta ahora, porque conserva su funcionamiento normal aunque existan perturbaciones de la tensión alterna de alimentación y, además, controla las caídas súbitas de tensión de entre 15 y 20% sin que se produzcan errores de conmutación. También la estabilidad dinámica experimenta una notable mejora. AC ~ Estación CCAT monopolar con convertidores «CCC» conmutados por condensadores y filtro «ConTune» con ajuste automático AC Sistema de corriente alterna Filtro de corriente alterna «ConTune» Una instalación CCC exige un filtrado suficiente de los armónicos sin usar grandes filtros de corriente alterna («grande» se refiere aquí a la potencia reactiva producida; una baja impedancia de filtro exige una potencia reactiva mucho mayor). El filtro «ConTune» de ajuste automático, desarrollado por ABB, satisface este requisito 5. La frecuencia de ajuste del filtro sigue siempre a la frecuencia del armónico generado, de modo que se ede elegir un factor alto para la calidad del filtro (valor Q). Así, con filtros pequeños 6 se ede conseguir una impedancia de filtro baja y bien definida. El ajuste automático del filtro se consigue con una inductancia de reactor variable, es decir, con un reactor de filtro constituido por un núcleo de hierro y dos arrollamientos, uno para los armónicos y el otro para el mando. Este último está bobinado perpendicularmente al primero. La alimentación variable de corriente continua en el devanado de mando permite controlar el 1 Consumo de potencia reactiva en un convertidor de potencia convencional (a) y en un CCC (b) 2 Q Potencia reactiva azul Filtro Corriente continua verde Ondulador rojo Asimetría Q 0.13 Q 0.13 a b Revista ABB 3/

3 P d U ac 0.6 P d 0.6 P d SCR = 2 Q shunt = 0.5 U ac P d SCR = 2 Q shunt = 0.13 U ac U ac a b Curva MAP (Maximal Available Power) de una instalación CCAT convencional (a) y de una instalación CCAT con CCC (b) 3 Corriente continua SCR Relación de cortocircuito en vacío P d Potencia de corriente continua Q shunt Potencia reactiva del filtro U ac Tensión alterna flujo magnético del reactor y por tanto también la inductancia 7. La regulación de la inductancia es lo suficientemente rápida y precisa, de modo que el filtro ede garan- tizar un correcto ajuste incluso si la frecuencia sufre grandes desviaciones. La regulación está constituida por equipos de medición de corriente y de tensión y por un amplificador de regulación, el cual controla la corriente de salida de un pequeño rectificador de seis imlsos cuya función es alimentar el devanado de Línea característica U d / de una instalación CCAT convencional (a), comparada con la de una instalación CCC (b) 4 U d Corriente continua Tensión continua U d 0.2 U d a b 12 Revista ABB 3/1996

4 PI Ejecución prototipo de un filtro de corriente alterna ConTune en la instalación CCAT Konti-Skan 5 Esquema de filtro con ajuste automático 6 mando. La inductancia está regulada para minimizar el desfase entre la corriente de armónicos en el filtro y la tensión de armónicos en la barra colectora. Para un ondulador de 12 imlsos se necesitan dos filtros «ConTune», uno para el undécimo armónico y el otro para el decimotercero, o uno solo con ajuste doble para ambos armónicos. El filtro de armónicos 11/13 ha de ser completado, además, por un filtro de paso alto para los armónicos de mayor orden. Un filtro de este tipo, en la actualidad, está formado por componentes pasivos, pero en el futuro podrá sustituirse el filtro de paso alto convencional por uno activo del mismo tipo que el filtro activo de corriente continua. Si se precisa redundancia, se conecta un banco monofásico de filtros en una fase cualquiera. Filtro activo de corriente continua Los requisitos imestos al nivel de perturbaciones telefónicas de las líneas de corriente continua se han ido haciendo más y más estrictos; la consecuencia es que los filtros pasivos convencionales de corriente continua necesitan cada vez más espacio y se han hecho más complicados. Para reducir el tamaño y la complejidad de los filtros, ABB ha desarrollado un filtro activo de corriente continua con buen efecto de filtrado 8. La parte activa está formada por un procesador extremadamente rápido de señales digitales que controla un amplificador de alto rendimiento. La señal de entrada la proporciona la corriente de armónicos medida en la línea de corriente continua. La señal de salida está formada por corrientes armónicas que, por su amplitud y posición de fase, eliminan las corrientes armónicas generadas por el ondulador. La conexión se realiza con ayuda de un pequeño filtro pasivo de paso alto. Reactor del filtro «ConTune». 7 El arrollamiento horizontal tiene como función el filtrado de las armónicas, el vertical sirve para el mando. I ac Corriente continua Corriente alterna I ac Válvulas montadas al aire libre En las instalaciones normales de CCAT, la sala de válvulas es el componente con mayores costes y con más necesidad de espacio. La sala tiene como única finalidad albergar las válvulas de tiristores. Esta circunstancia trae consigo grandes complicaciones, porque la sala tiene que cumplir las normativas locales y satisfacer los deseos arquitectónicos del cliente y ha de adaptarse a los equipos eléctricos ya en una fase temprana del proyecto 9. Con objeto de simplificar la construcción de las instalaciones, ABB ha desarrollado válvulas de tiristores para uso al aire libre 10. Así se simplifican el transporte y el montaje, es una válvula de 500 kv para exteriores, lista para ser conectada, ede ser transportada en camión por una carretera normal. Además, las válvulas para exteriores son más fáciles de estandarizar que las destinadas a uso en interior. Otras ventajas son el acortamiento de los plazos de entrega y la menor necesidad de espacio. Además se hace más fácil una eventual ampliación futura de las instalaciones. Cada unidad funciona como válvula, es decir, para constituir un convertidor de 12 imlsos se necesitan 12 válvulas para exteriores. Su configuración eléctrica tradicional, con válvulas de tiristores y módulo de reactores, hace que el mantenimiento de las válvulas para exteriores sea tan simple como las de interiores. Revista ABB 3/

5 Ventajas del sistema HVDC 2000 Respecto de las instalaciones CCAT usuales, el sistema HVDC 2000 ofrece las ventajas siguientes: Control Esquema de filtro activo de corriente continua 8 plazos de entrega más cortos instalación con menos componentes y, por tanto, con montaje más sencillo los componentes más compactos implican menor necesidad de espacio mayor flexibilidad de concepción de las instalaciones aspecto más discreto menores costes de mantenimiento y reparación mejor estabilidad de la regulación mayor seguridad de funcionamiento en caso de transporte con cables de corriente continua de gran longitud poco susceptible a las perturbaciones de la red de alterna, lo que reduce la probabilidad de errores de conmutación menor sobretensión dinámica en caso de desenganche de la carga Sala de válvulas con técnica convencional de la instalación CCAT de Baltic Cable, que une las redes eléctricas de Suecia y Alemania. 9 Transformadores ópticos de corriente continua ABB ha desarrollado el transformador óptico de medición DC-OCT para corriente continua, un dispositivo sencillo, fiable y muy rápido, con el que eden sustituirse los equipos relativamente complejos que se han usado hasta ahora para medir la corriente continua en las instalaciones convencionales de CCAT 11. El dispositivo DC-OCT se basa en un shunt de medición de alta precisión destinado a medir la tensión. El valor de medición se transmite digitalmente con ayuda de la luz por un cable de fibra óptica hasta el sistema de regulación, que tiene un potencial igual al de la tierra. Un segundo cable de fibra óptica alimenta con luz el sistema electrónico de medición con potencial de alta tensión. La fuente luminosa es un láser situado en la unidad de mando. El cable de fibra óptica ede alcanzar una longitud 14 Revista ABB 3/1996

6 Ejecución prototipo de una válvula para exteriores 10 máxima de 300 m. En la gama de frecuencia de hasta 7 khz, la precisión es superior a 0,5% 12. Electrodos profundos de tierra El electrodo de tierra es un componente importante de las instalaciones CCAT. Normalmente, en el transporte por cable es posible instalar electrodos relativamente compactos, sumergidos o próximos al agua. Los electrodos de tierra requieren, por el contrario, mucho espacio, han de instalarse en ntos en que la resistencia de la tierra es relativamente baja y además tienen que estar situados a unos 10 km de la estación de convertidor, para impedir que la corriente continua penetre en los transformadores o en otros aparatos. El electrodo profundo de tierra, desarrollado por ABB y otros interesados, ede ser un medio para resolver este problema, a condición de que se den las condiciones geológicas apropiadas, es decir, que las capas superiores del terreno tengan una resistencia específica mayor que las inferiores 13. Un electrodo profundo de tierra ede estar situado más cerca de la estación de convertidor que los otros tipos, de lo que resulta una línea de electrodo más corta y con menos pérdidas. También es más fácil encontrar un lugar apropiado para su implantación, ya que estos electrodos afectan menos al paisaje. Y, además, un electrodo profundo de tierra simplifica la futura realización de un transporte monopolar de CCAT 14. El sistema HVDC 2000 en la actualidad A excepción de los condensadores de conmutación, todos los componentes del sistema HVDC 2000 se encuentran ya en funcionamiento o en periodo de pruebas. El filtro «ConTune» se encuentra en servicio desde 1993 en las instalaciones de CCAT Konti-Skan. Los resultados han sido tan positivos que se van a instalar nuevas unidades en otras estaciones. En diciembre de 1991 se montó en las mismas instalaciones un prototipo de filtro activo de corriente continua que ha permitido reducir esencialmente las corrientes armónicas en el circuito de corriente continua 15. El filtro activo de corriente continua [1] se ha convertido en una solución estándar para instalaciones CCAT como Baltic Cable 16, en que los filtros tienen que satisfacer requisitos muy Revista ABB 3/

7 + 5V Power supply Local module Laser diode Optical power link Remote module Power converter I Data outt D/A converter Data receiver Optical data link Data transmitter A/D circuit Shunt Esquema funcional del transformador óptico de medición de corriente continua DC-OCT 11 Transformador óptico DC-OCT 12 de medición de corriente continua, desarrollado por ABB especialmente para las instalaciones CCAT estrictos, y forma parte integral de los suministros actuales. En julio de 1992 empezó a funcionar con gran éxito en Konti-Skan la nueva válvula para exteriores de 280 kv. Otra válvula para exteriores, de 500 kv, se encuentra en fase de desarrollo y será esta a prueba durante este año. Los transformadores ópticos de medición de corriente continua se encuentran ya en funcionamiento o constituyen parte de los últimos suministros de ABB. Croquis funcional de un electrodo profundo de tierra 13 Prueba de un electrodo profundo de tierra 14 1 Conducción de electrodo 2 Punto de conexión 3 Cable 4 Electrodo profundo de tierra, longitud de 100 a 200 m 5 Superficie del terreno 6 Capa de tierra, de espesor m, con elevada resistencia específica 7 Capa de tierra con baja resistencia específica ( 1 mm 2 /m) Revista ABB 3/1996

8 2.0 A, rms 1.5 H en el lado sueco de las instalaciones Baltic Cable de CCAT. Durante los últimos años, ABB ha sometido con éxito a numerosas pruebas diversas soluciones de circuitos con CCC en el simulador de CCAT. Actualmente se realizan pruebas en escala uno a uno de un sistema CCC en un circuito de ensayo con válvulas de tiristores. I (f) Influencia de los filtros activos y pasivos sobre las corrientes armónicas f azul claro Sólo con filtro pasivo f Frecuencia azul oscuro Con filtro activo I(f) Corrientes armónicas H Armónicas Hz 15 El futuro del sistema HVDC El objetivo del sistema HVDC 2000 es conseguir una nueva generación de instalaciones CCAT, un sistema no sólo convincente para los especialistas sino que además mejora enormemente la competitividad de las instalaciones CCAT frente al transporte de energía por corriente alterna. ABB Power Systems AG alcanzará sin duda este objetivo, esto que estas instalaciones son más pequeñas, tienen menos componentes, sufren menos interrupciones de funcionamiento y necesitan poco mantenimiento. A principios de 1995 ABB so en marcha, en colaboración con otras empresas participantes, el ensayo a largo plazo de los electrodos profundos a tierra Filtro activo de corriente continua en el lado sueco de las instalaciones CCAT Baltic Cable, que une las redes eléctricas de Suecia y Alemania. 16 Bibliografía [1] Asplung, G.; Zhang, W.: Filtros activos de corriente continua en instalaciones CCAT. Técnica ABB 6/7 95, Dirección del autor Bertil Ärnlöv ABB Power Systems AB P.O. Box 703 S Ludvika, Suecia Telefax: +46 (0) R e vista ABB 3/