7 TOPOLOGÍAS DE VSC-HVDC Las topologías clásicas de convertidores de potencia implementados en sistemas de VSC-HVDC son: 1. Convertidores de dos niveles. 2. Convertidor multinivel, basado en topología Diode Clamped. 3. Convertidor multinivel, basado en topología Flying Capacitor. 7.1 CONVERTIDORES DE DOS NIVELES Los convertidores de dos niveles (Figura 7.1) han sido ampliamente utilizados en aplicaciones con diferentes rangos de potencia y tensiones. V dc 2 V dc 2 Figura 7.1. Convertidor trifásico de dos niveles. Este tipo de convertidores permite utilizar técnicas tales como la modulación por anchura de pulso o PWM (por sus siglas en ingles). Mediante esta técnica es posible modular ondas de tensión a frecuencia fundamental. No obstante este tipo de control a su vez repercute en armónicos de gran magnitud a frecuencias altas. Las ventajas de los convertidores de dos niveles son: Fácil construcción. Menor complejidad de las técnicas de control y modulación. Grupo de - Página 24
Todos los semiconductores dentro de un convertidor se utilizan con el mismo promedio, por lo cual, no hay más desgastes en algunos de ellos que en otros. Del mismo modo, las limitaciones de los convertidores de dos niveles son: Los semiconductores deben resistir altos niveles de tensión. Baja calidad de la tensión AC modulada (alto número de armónicos). Altas perdidas por conmutación. Figura 7.2. Enlace VSC-HVDC dos niveles. 7.2 CONVERTIDORES MULTINIVEL Los convertidores multinivel se han ido desarrollando en aplicaciones de VSC-HVDC debido, principalmente a la capacidad de manejar altas tensiones y altas potencias, a la vez que generan ondas de tensión de mayor calidad que los convertidores de dos niveles. Dentro de las ventajas que presentan este tipo de sistemas se encuentran: Permite manejar mayores tensiones de trabajo y alcanzar mayores potencias, que las topologías de dos niveles, utilizando semiconductores de mediana potencia. Mayor calidad de la onda de tensión modulada, ya que al estar formada por mayor número de escalones que las de dos niveles, se reducirán el Grupo de - Página 25
número de armónicos en la onda de tensión y el rizado de las corrientes del convertidor serán menores. Menor tamaño, peso y costo de los filtros necesarios para filtrar los armónicos de la tensión modulada. Este tipo de convertidores tienen una mayor eficiencia que los de dos niveles, al poder manejar altas potencias, aumentando solamente las tensión de cada nivel y no la corriente del convertidor (lo cual aumentaría las perdidas en conducción). La principal desventaja de este tipo de convertidores es la complejidad del control, ya que es necesario asegurar la correcta conmutación de cada uno de sus semiconductores y que la tensión de trabajo de los condensadores de cada nivel se encuentra en el valor adecuado sin importar el modo de funcionamiento. 7.2.1 Convertidor Diode Clamped El convertidor Diode Clamped (Figura 7.3) es la topología multinivel más implementada en aplicaciones industriales. Comercialmente es posible encontrar convertidores Diode Clamped de hasta tres niveles, ya que al aumentar el número de estos, el control del convertidor es más complejo y son necesarios un gran número de diodos conectados en serie para soportar la tensión de cada nivel, complicando las características mecánicas del equipo. Figura 7.3. Enlace VSC-HVDC Diode Clamped. Grupo de - Página 26
Las desventajas de este tipo de convertidores son: Los diodos implementados en su construcción deben ser de recuperación rápida y estar dimensionados a la corriente nominal del convertidor lo cual puede incrementar su costo. En algunos casos será necesario disponer de varios diodos en serie con el fin de soportar la tensión nominal de cada uno de los niveles. 7.2.2 Convertidor flying capacitor Los convertidores con topología multinivel flying capacitor (Figura 7.4), tienen la misma estructura de los Diode Clamped. Las diferencias entre estas dos topologías son que el convertidor flying capacitor utiliza, para fijar la tensión de cada nivel, condensadores en vez diodos de recuperación rápida y que la tensión de cada nivel es diferente, aumentando en gran medida la complejidad del algoritmo de control, ya que es necesario asegurar que durante el funcionamiento del convertidor cada nivel se encuentra a su tensión nominal. Figura 7.4. Enlace VSC-HVDC flying capacitor. Además de las ventajas propias de los convertidores multinivel (mencionadas previamente), los convertidores con topología flying capacitor, cuentan con la ventaja de tener un tipo de construcción modular, lo que hace más fácil, el incrementar el número de niveles del convertidor. Por último, cabe resaltar que los convertidores flying capacitor son la topología más eficiente de las implementadas en enlaces VSC-HVDC. Las principales desventajas de los convertidores flying capacitor son: Grupo de - Página 27
Los condensadores de cada nivel, deben estar dimensionados para soportar las altas corrientes del convertidor con el fin de no limitar la potencia nominal del equipo. Es necesario asegurar que la tensión de los capacitores se encuentra en los niveles de trabajo, sin importar el modo de funcionamiento del convertidor, lo cual, trae consigo algunas dificultades a la hora de implementar el control Por último es importante resaltar, la necesidad de prestar especial atención durante la puesta en marcha de este tipo de equipos, ya que es necesario hacer una correcta pre-carga de cada uno de sus capacitores. 7.3 COMPARACIÓN ENTRE TOPOLOGÍAS A continuación a manera de resumen se realiza una comparación entre las topologías implementadas en enlaces VSC-HVDC. Niveles de tensión y Calidad de la Complejidad potencia onda modulada de construcción Eficiencia Dos niveles Media Media Baja Baja Diode Clamped Alta Alta Alta Media Flying Capacitor Alta Alta Media Alta Tabla 7.1. Comparación entre topologías. Grupo de - Página 28