Universidad Universi dad de Colima. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctri Eléctrica ca (FIME) Banda Assam Alejandro. Alta tensión en corriente continua.
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Alta Tensión en corriente continua (HVDC) Banda Assam Alejandro
[email protected] [email protected] Universidad de Colima-FIME Colima-FIME En este reporte resumiré las principales características de la alta tensión en corriente continua, sus componentes, como funciona, aplicaciones.
Resumen.-
I. I NTRODU NTRODUCCIÓN CCIÓN La Corriente continua de alta tensión (HVDC por sus siglas en inglés, High Voltage Direct Current) es un sistema de transporte de energía eléctrica utilizado en largas distancias. Habitualmente, se utilizan corrientes utilizan corrientes alternas para el transporte y uso doméstico de se la electricidad. Principalmente, debido a que puede convertir con transformadores de una tensión a otra. Así se utilizan tensiones muy altas para el transporte eléctrico y tensiones más bajas y seguras para uso doméstico. La técnica HDVC es la primera elección para un transporte eficiente de la corriente en trayectos largos (>400 km) y con cables marítimos. En los territorios extensos con un gran número de población, las líneas de transmisión de alto voltaje en corriente continua transfieren actualmente varios gigavatios de potencia eléctrica con hasta 800 kV de tensión a lo largo de miles de kilómetros. La corriente procedente de parques eólicos en ultramar alejados de la costa puede suministrarse a la red usual de forma eficiente gracias a la transmisión de alto voltaje en corriente continua. II. ALTA TENSIÓN EN CORRIENTE CONTINUA (HVDC) En la utilización de líneas de transmisión en corriente alterna se encuentran los efectos ambientales, ya que los conductores generan Electrónica II - 2013
campos electromagnéticos. Otros de los inconvenientes están relacionados con las instalación de las torres necesarias para transportar y sostener el cableado y las limitaciones en la distancia máxima que puede haber entre torre y torre. Gracias a todas estas limitaciones diferentes empresas, universidades y gobiernos, han desarrollado planes de investigación, desarrollo e implementación de diferentes métodos de transporte de energía, tal como el HVDC. Aunque dicha tecnología, fue estudiada incluso antes que las líneas de transmisión convencionales (corriente alterna), no fueron implementadas, debido a que la tecnología necesaria para su aprovechamiento, en el momento, no estaba lo suficientemente desarrollada, por lo que los sistemas HVDC eran más costosos que los de transmisión en alterna. Los avances que se han producido en la electrónica de potencia de las últimas décadas, han permitido que los sistemas de HVDC sean hoy una realidad. Actualmente en el mundo existen más de 90 proyectos que implementan sistemas HVDC, sumando más de 70 GW de potencia total instalada. La instalación de líneas de transmisión HVDC presenta una serie de ventajas frente HVAC, entre ellas: 1) Una línea de transmisión aérea con tecnología HVDC puede ser diseñada de tal forma que su coste sea inferior, por unidad de longitud, en comparación con una línea HVAC, de la misma potencia.
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2) La capacidad de implementar sistemas HVDC con líneas subterráneos o submarinas, permite en muchos casos, acortar distancias y por ende, costos.
los 6-7 GW con altos niveles de tensión, 800 kV aproximadamente.
3) Los sistemas de HVDC permiten longitudes de las líneas de transmisión del orden de los 600 km mientras que las de HVAC se encuentran por el orden de los 50 km.
El segundo tipo de tecnología HVDC está basada en convertidores de potencia con topología VSC o Voltage Source Converter con semiconductores de potencia del tipo IGBT.
4) La capacidad de interconectar redes eléctricas asíncronas, es una de las ventajas que presenta esta tecnología.
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:
III. 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. Éste tipo de tecnología se divide en dos tipos, la convencional y la VSC HVDC.
V. VSC-HVDC
• 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.
IV. HVDC CLASSIC. 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. Entre sus ventajas se encuentra la capacidad de manejar muy altas potencias, del orden Electrónica II - 2013
Fig 1. Componente de un sistema HVDC.
Aunque muchos de los consumos instalados actualmente funcionan con corriente continua, todos ellos están diseñados para realizar la conversión desde el nivel de corriente alterna al que están conectados al de continua necesario para su funcionamiento. Del mismo modo, la generación de energía eléctrica se realiza en
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AC. Esto si significa gnifica que, para transportar la energía utilizando HVDC, es necesario convertirla de AC a DC para posteriormente realizar la transformación inversa, de DC a AC. Los principales elementos en este doble
transformador y el ángulo de control de las válvulas). El orden de los armónicos depende del tipo de convertidor. Por ejemplo, un Convertidor de 6 pulsos genera armónicos de orden 6n
proceso son:
±1, siendo en el orden del armónico. En uno de 12 pulsos, en cambio, los armónicos son de orden 12n ±1. Estas serían las condiciones de funciona-miento ideal, pero en condiciones de explotación normal, asimetrías y otros defectos de la señal, se producen armónicos no característicos de los convertidores, como los de 3º orden, que también han de filtrarse. Estos filtros pueden ser de primer, segundo o tercer orden, con frecuencias de resonancia entre 3 y 24Hz.
•Convertidores AC/DC (rectificadores) y
DC/AC (inversores). • Transformadores de conversi co nversión. ón. • Líneas de transporte. • Filtros AC y DC.
VI. FILTROS Debido al alto contenido de armónicos generados en el convertidor, es necesaria la instalación de filtros tanto en el lado de AC como en el de DC. Existen valores límite tipo en función de la clase de interferencia a atenuar. Algunos de estos valores son: • En frecuencias entre 150 kHz y 500 kHz deberá generarse un ruido inferior a – 3300 dBm (0 dBm = 0,775V, 1 μW sobre 600 Ω y
un ancho debanda de 4 kHz).
• En el rango de radiofrecuencia de 500 kHz
a 30 MHz deberá cumplirse la norma ENV50121-5 (1996). • El ruido por efecto corona cerca de la estación de conversión y líneas aéreas no debe exceder los 100 μV/m entre los 500 kHz y los 30 MHz. VII. FILTROS AC
Los filtros en el lado AC de la estación de conversión se encargan de absorberlos armónicos generados por el convertidor y de proporcionar una parte de la potencia reactiva que necesita el convertidor (depende de la potencia activa, la reactancia del Electrónica II - 2013
VIII. CONDENSADORES EN SERIE. Los condensadores serie en el lado AC siguen el concepto utilizado en los CCC (Capacitor Commutated Converters). El objetivo es mejorar el comportamiento dinámico, principalmente en sistemas con baja potencia de cortocircuito o líneas HVDC largas. Este sistema, unido a pequeños filtros, mejora mejora la calidad de la señal reduciendo el rizado y la demanda de energía reactiva. Estos condensadores se sitúan entre el transformador y el puente de válvulas para reducir la corriente causada por la capacidad de los cables en caso de desconexión y el fallo del inversor. Esto se debe a que, en este punto, la corriente está controlada y, por lo tanto, determinada por el convertidor.
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IX. TRANSMISIÓN CC La transmisión de corriente continua se basa en convertir la corriente alterna en continua en una estación rectificadora, transmitir la energía en una línea bipolar de CC y convertirla de nuevo en corriente alterna en una estación inversora. Desde el punto de vista del sistema, la tecnología de corriente continua simplifica la transmisión a largas distancias. Las estaciones rectificadora e inversora pueden controlar rápidamente la corriente y la tensión y, por tanto, son adecuadas para controlar el fluj flujoo de ppotencia. otencia. L Laa diferencia de ángulo de fase entre los extremos transmisor y receptor nnoo tiene importancia si la única conexión es de CC. En realidad, las redes conectadas pueden ser incluso asíncronas, ya que la corriente continua no tiene ángulos de fase y no depende de la frecuencia. Las averías en líneas de CC o en convertidores harán que aumente la frecuencia en el extremo generador y que disminuya en el extremo receptor, a no ser que haya suficiente capacidad de sobrecarga en el polo remanente y existan líneas de CC paralelas que controlen la diferencia de potencia.
Fig. 3. Con el sistema HVDC de 800 kV es posible transferir una potencia de hasta 18.000 MW en un único derecho de paso.
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X. LÍNEAS DE CC PARA UN SISTEMA S ISTEMA HVDC Las líneas de transporte ya sean aéreas, subterráneas o submarinas están siempre
presentes salvo en configuraciones back-toback . En función de la configuración y la conexión se empleará un determinado número de conductores. Muchas instalaciones utilizan electrodos para el retorno por tierra o mar, pero debido a la oposición por causas medioambientales es común emplear retorno metálico por cable, aunque encarezca la instalación, además en las últimas instalaciones se instala junto con los conductores de CC un enlace de comunicaciones a base de fibra óptica. Líneas aéreas: Las líneas aéreas que se
emplean en el transporte HVDC tienen una serie de ventajas frente a las de transporte HVAC. Las torres están mecánicamente diseñadas como si de una línea de CA se tratara, aunque cabe señalar diferencias en cuanto a la configuración de los conductores, el campo eléctrico y el diseño de los aisladores. Es en los aisladores donde las líneas de CC presentan que estos que se diseñan a partir deproblemas, la norma ya IEC60815, marca los estándares para líneas de CA. La línea de fuga (Distancia más corta entre dos conductores, medida a lo largo del dispositivo que los separa. Es el parámetro en el que se basa el diseño de aisladores) para CA se basa en tensiones t ensiones fase-fase, fase- fase, entre conductores, pero al trasladar estas distancias para los conductores en CC se debe tomar como referencia la tensión fase tierra, por lo que se debe multiplicar el factor dado por la norma por √ 3 .
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a través del que circula un aceite refrigerante. Debido al conducto de refrigeración, la longitud de utilización queda limitada a alrededor de 100 km, no así la profundidad, y su utilización es a veces
Fig. 4. Tipos de aisladores y característic cara cterísticas. as.
En cuanto a los cables disponibles actualmente para las conexiones subterráneas y submarinas, algunos utilizados también en HVAC, el estado de la tecnología es el siguiente: a) papel impregnado Cable de cable): impregnated Es el tipo (mass más
utilizado en transmisiones HVDC. Se fabrica a partir de una varilla central, alrededor de la que se enrollan capas de hilo de cobre trenzado, que se cubren con capas de papel impregnado en aceite y resinas formando un componente aislante de alta viscosidad. Este cable es después envuelto en una capa de plomo para mantener aislado el medio ambiente de los componentes aislantes del papel impregnado. La capa que sigue se compone de polietileno extruido para aportar la protección anticorrosión, alrededor de la cual se aplica una capa de acero galvanizado que protege contra las deformaciones permanentes durante el tendido. b) Cable refrigerado por aceite (oil-filled cable): Pertenece a un grupo de conductores
denominados SCFF (Self-Contained Fluid Filled). El conductor está aislado mediante papel impregnado, igual que en el caso anterior, pero en este caso con un aceite de baja viscosidad. Además, el cable está recorrido longitudinalmente por un conducto Electrónica II - 2013
discutida debido a los riesgos medioambientales que entraña una posible fuga. Este cable se puede utilizar tanto para transmisiones HVDC como para transmisiones HVAC. c) Cable de polietileno reticulado o XLPE (Cross-Linked Poliethylene): El conductor
está formado por hilos de cobre aislados, como indica su denominación, a base de capas de polietileno reticulado. El material aislante permite temperaturas de trabajo normal de hasta 90ºC y de 250ºC en cortocircuito. El conductor XLPE puede trabajar a tensiones de 300 kV y alcanza secciones de hasta 3000mm2, aunque es el tipo de cable que más se ha investigado tanto para transmisión HVDC.
Fig. 5. Conductor XLPE a) HVDC. b) HVAC trifásico. c) MVAC trifásico (media tensión).
XI. APLICACIONES EN ENLACES HDVC El sistema HVDC clásico se usa frecuentemente para interconectar sistemas eléctricos separados donde no es posible utilizar conexiones tradicionales de corriente alterna: por ejemplo, en interfaces de
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sistemas de 50/60 Hz o cuando se requiere un control de frecuencia independiente de las redes separadas. Tales conexiones se realizan a veces como sistemas ‘adosados’, es decir, el rectificador
(estación convertidora de CA a CC) y el inversor (estación convertidora de CC a CA) están situados en la misma instalación. Muchas transmisiones HVDC de larga distancia (> 600 km) conectan instalaciones generadoras (grandes centrales hidroeléctricas y térmicas) con puntos óptimos de inyección en la red. Las transmisiones HVDC por cable son principalmente de ttipo ipo submarino (> 50 km) y con frecuencia enlazan sistemas eléctricos asíncronos. Actualmente están en explotación comercial unidades HVDC Light de hasta 350 MW, aunque se han desarrollado unidades de hasta 550 MW. El enlace entre las estaciones convertidoras se hace actualmente con cables extruidos sin aceite (terrestres y/o submarinos), de hasta 180 km de longitud.
XII. CONVERSION HVAC - HVDC Dado que los sistemas de generación eléctrica, son operados en CA, se requiere entonces convertirlos previamente en CC para su posterior transmisión por cables a grandes longitudes. Este complejo mecanismo de conversiones, implicará por lo tanto, el uso de estaciones “conversoras” en ambos extremos, para transformar CA en CC en el punto de envío (1), y CC a CA en el extremo receptor (2),pero lo mejor es que las dos redes extrema no estarían obligadas a estar sincronizadas, ya que pueden tener diferentes frecuencias y diferentes tensiones, brindando la posibilidad hasta de poder unir sistemas de transmisión de diferentes países facilitando el intercambio y el comercio energético internacional.
Fig. 8. Esquema de conversión de HVAC A HVDC.
Existen dos técnicas lograr la conversión de CA a CC y viceversa: Tecnología Line Commutated Converter (LCC): Ha existido por varias décadas para
usos marinos, con cables tipo MI (masa impregnada). Esta tecnología requiere interconectar necesariamente dos puntos de potencia activa en cada lado del enlace. Fig. 6. Estación convertidora HVDC light.
Tecnología Voltage Source Converter (VSC): Esta tecnología ha entrado en uso
comercial recién a partir del año 2000 para dar lugar a la moderna transmisión por medio de cables XLPE. Contrariamente a LCC, también se puede aplicar para unir redes aisladas, como por ejemplo, Electrónica II - 2013
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suministrar energía a partir de una fuente de generación, hacia una islas remota sin generación alguna (extremo final solo consumidor). XIII. CONCLUSIÓN La transmisión de corriente directa en alta tensión permite visualizar las ventajas que presenta ante los sistemas tradicionales de transmisión de corriente alterna, tanto en el volumen de potencia que se puede transferir, como en las cuestiones económicas por la instalación de los sistemas de transmisión y conductores eléctricos. Los sistemas para transmisión de alta tensión en corriente continua (HVDC), permiten transmitir hasta tres veces más megavatios a través del uso de las mismas torres de alta tensión, y de los mismos cables subterráneos con sistemas de CA; y pasan a posicionarse como la tecnología de elección para la transmisión masiva a largas distancias. Solo en Europa, más de 10.000 Km de transmisión en HVDC se encuentra actualmente en servicio. Por otra parte, dada la creciente dificultades en obtener permisos para las nuevas líneas de energía en zonas urbanas y rurales, el HVDC pasará finalmente a ser la única solución el aumento de capacidades transportepara también en distancias más cortas.de XIV BIBLIOGRAFÍA 1) Ingeniería Técnica Industrial. Transporte “
de energía eléctrica en corriente continua enlaces hvdc-vsc.” Monte Rubio Diez,
Mario. 2) F. Elgueta, “Control de sistemas HVDC”, Grado de Ingeniero, Dept, Ing. Eléctrica. Univ. Chile, 2008 .
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3) “Transporte de energía eléctrica en corriente continua.”Electrónica de Potencia.
Abril de 2005. 4) “ Introducción Introducción a los Sistemas de Alta Tensión en Corriente Continua ”. Egea y O. Gomis.
