concepción sistemas hvdc – aspectos claves y diseño · conversatorio hvdc, colombia, junio 3 de...

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RIO

:

Junio 3, 10, 17, 24Sistemas HVDC

SESIÓN 1 : Aspectos claves del diseño y especificación de sistemas HVDC

Un evento:

Concepción Sistemas HVDC – aspectos claves y diseño

JORGE W. GONZÁLEZUniversidad Pontificia Bolivariana - Colombia

Conversatorio HVDC, Colombia, Junio 3 de 2020

Aplicaciones de la tecnología HVDC

Generación Renovable variableAltas Cantidades de Potencia –

Largas Distancias

Conexión Asincrónica – Diferente Frecuencia o Políticas de

Sincronismo

Cableado submarino

HVDC = High VoltageDC Transmission

LCC: “Convencional”

VSC-(MMC)


Costo de terminal cd

Costo de terminal ca

Costo

Break even distance

Distancia en km≈ Menos de 500 a 800 km Línea aérea

≈ Menos de 50 a 60 km Cables aislados

Costo de Linea ca

+ Terminal

Costo de linea cd

Line + Terminal

Comparación tradicional de costos ca – cd



En operaciónEn construcciónPlaneadoDesmantelado

https://www.ptd.siemens.de/Cigre_AUS_2011_HVDC_&_GridAccess_tutorial_Re.pdf


La más extensa, con 2,500 km. Conecta dos nuevashidroeléctricas cerca a Porto Velho con São Paulo. ±600 kilovolts, minimiza pérdidas eléctricas. La inversión aprox. de $540 millones. 2 x 3150 MW

http://www.abb.ch/cawp/seitp202/06c9cd09d993758cc1257601003db274.aspx

Dos enlaces de cd. Tendría aprox. 2000 km y 2400 km. ±800 kilovolts, HVDC LCC. 2 x 4000 MW. Despacho de energía hidro desde la central de Belo Monte (11233 MW) hasta Estreito y Rio. Aprox. año 2018 proyectototal.

Source: Basic design of a HVDC interconnection in Brazil. Sylvain Bancal. KTH Institute.


Línea aéreaLCC


Source : www.offshorewind.biz

Source: cleanlineenergy.com


Source: www.fastcompany.com

Source: southerncrosstransmission.com


Teshmont (Vajira Pathirana)

Fuente: IEEE Spectrum

Distancias >400 km


Ultranet (Alemania), VSC MMC –Full Bridge: 2000 MW, ±380 kV,uso líneas existentes – híbridas(piloto), 340km, 2021


Fuente: CIGRE SC B4 Colloquium on "Role of HVDC FACTS and Emerging Technologies in Evolving Power Systems“ on 23-24 September 2005 at Bangalore, India HVDC Power Transmission for Remote Hydroelectric Plants - John Graham* Abhay Kumar Geir Biledt


Reducción emisionespor contaminaciónfuentes de generación


Changji-Guquan: China±1100 kVdc12,000 MWLCC3000 kmIntegración energías renovablesAsignación: Julio 2016Recientemente en servicio



http://www.ewh.ieee.org/soc/pes/switchgear/presentations/tp_files/2018-1_Smeets_Hu_Switching_in_DC_Systems.pdf


China: Zhoushan 5T IslandMultiterminal VSC±200kV/1000MW400/300/100/100/100MWCable Julio 2014CBs cd (2016)Energía eólica

Sijiao100MW

Yangshan100MW

Zhoushan400MW

Dabhan300MW

Quihan100MW

32km

37km

39km46km


India±800 kVdcMultiterminalLCC 12 pulsos6,000 MW1775 km90 Millones de habitantesEn servicio aprox. 2017Suministro Hidroeléctrico (potencial de 90 GW)Conectado a tensión de ca 400 kV



Italia SACOI±200 kVdc200 MWLCC Tiristores(inicialmente válvulas mercurio 1967)Electrodos submarinosTercer terminal (Lucciana 1988)

Sardinia

Corsica

Lucciana



USA Trans Bay±200 kVdcVSC MMC (el primero)Cable submarino88 km400 MWEn servicio 2010Permitió retirar plantas de generación contaminantesMejora de la calidad del suministro



Africa Caprivi-350 kVdcPrimer VSC con línea aérea950 km300 MWEn servicio 2010Puede trabajar como SVC


Caprivi Link HVDC Interconnector: Comparison between energized system testingand real-time simulator testing T G MAGG, PB Power, South Africa M MANCHEN, NamPower, Namibia E KRIGE, NamPower, Namibia E KANDJII, NamPower, Namibia R PÅLSSON, ABB, Sweden J WASBORG, ABB, Sweden. CIGRE 2012.


Canadá Maritime Link±200 kVdcVSC MMCLínea aérea 187 kmCable submarino 170 km500 MWEn servicio 2017Integración energía eólica



Alemania Dolwin III ± 320kVdc900 MW VSC submarino160 km2019



CONVERSATORIO : Sistemas HVDC

http://manuelricosecades.blogspot.com/2011/04/enlave-hvdc-en-espana.html Proyecto RÓMULO

A DEEP INTERCONNECTION

±250 kV (2 cables de potencia y adicional de retorno para aumentar la disponibilidad). Además de 2 cables de fibra óptica para comunicaciones.

400 MW En construcción 2011

http://1.bp.blogspot.com/-twFCKb21pwQ/TVlykgbDb1I/AAAAAAAAK_c/sgIfdhOu3cA/s320/cable-interconexion-baleares-peninsula.jpg

España Islas Baleares± 250kVdc400 MW LCC submarino237 km20112 cables de potenciay un cable de retorno



http://www.eprsiepac.com/contenido/wp-content/uploads/Inter-Colombia-Panam%C3%A1.jpg

Colombia - Panamá


“Colectora 2: enlace HVDC VSC de 550 kV DC bipolo entre Colectora 2 y Chinú” o ” o Red HVDC VSC Colectora 2 – Cerromatoso550 kV bipolar”: UPME Plan Exp. 2017-2031

Colectoras la Guajira

Fuente: UPME


Aspectos Técnicos HVDC LCC(Line Commutated Converter) HVDC “Clásico”

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/High_voltage_transmission_towers_and_lines.jpg

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9e/Cahora_Bassa_%28HVDC%29_-_KNP_-_001.jpg


R

U1 U2

1*21

UR

UUP

−=

Principios básicos del HVDC LCC

LCC = Line Commutated Converters


Principios básicos del HVDC LCCEl Tiristor o SCR (Silicon Controlled Rectifier)

LTT

Conmutados por luz

Fuente:Siemens

Ej: 8,5 kV ThyristorsIDC ≤ 4.5 / 4.7 kA


Siemens

Falla en la conmutación: por fallas en ca, caídas Vca 10-30%)


Puente 6 pulsos

LCC siempre demanda Q del orden de 50% de Pactiva


Configuraciones HVDC



Configuraciones HVDC

Sijiao100MW

Yangshan100MW

Zhoushan400MW

Dabhan300MW

Quihan100MW

32km

37km

39km46km


“Layout’’ de una estación HVDC

https://www.ptd.siemens.de/Cigre_AUS_2011_HVDC_&_GridAccess_tutorial_Re.pdf


Transformadores convertidores

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bd/Transformateur_du_complexe_La_Grande.jpg

https://spectrum.ieee.org/image/MzIwNzQ2MQ.jpeg

Retos de transporte

800 metric tons

Xinjiang-Anhui 1100 kVcd, 12000MW, 3000km


Válvulas de tiristores

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/04/Pole_2_Thyristor_Valve.jpg


Fortaleza de un sistema ca/cd (LCC)

http://waterandpower.org/5%20Historic%20Photos%205/Synchronous_Condenser1.jpg

Sistema de control del HVDC convencional CC-CEA, Imargen, VDCOL

Gonzalez, Cardona, Isaac, Lopez, Weindl, Herold, Retzmann. Feasibility of HVDC for Very Weak AC Systems withSCR below 1.5. 12th International Power Electronicsand Motion Control ConferenceYear: 2006.

Short Circuit Ratio= SCR = MVActocto/Pcd


Control básico

Línea cd

α γ

Referencia de corriente Referencia de tensión

InversorRectificador

Tensión cd controlable con los ángulos α – γ (1 - 10ms), y complementariamente con OLTC (5 – 6 s por paso)

La inversión de la potencia se logra invirtiendo la polaridad de las tensiones de cd en ambos extremos.


HVDC Cigre Benchmark –Electra 135 – 1991Simulación PSCAD

Rect ifier

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

Vol

tage

(pu)

AC Volts (RMS) AC Voltage

Rect ifier : Graphs

x 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

(pu

)

ica_r

Rectifier : Graphs

x 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

0

20

40

60

80

100

120

140

160 Alpha Order

Rectifier : Graphs

x 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

0

20

40

60

80

100

120

140

160 Alpha Order

Inverter

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

Vol

tage

(pu)

AC Volts (RMS) AC Voltage

x 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

0

Aporte de cortocircuito

No se tieneaporte de

cortocircuitoentre

sistemas de ca

Falla trifásica, Rf=5 ohm (se simuló tmuerto de 150 ms)

Inverter : Graphs

t(s) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

(pu

)

ica_i


HVDC planning, technology selection and specification Presented By Bruno Bisewski on behalf of SC B4Paris – 27 August 2018

≈285 ms


HVDC VSC (MMC)

(VOLTAGE SOURCE CONVERTERS)


Sistemas de transmisión VSC-HVDCDesde 1990 semiconductores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

VSC (Voltage Sourced Converters – Conversores alimentados por Tensión o de conmutaciónforzada)

https://new.abb.com/se/temasidor/hvdc-60-ar/utvecklingen-i-bilder

https://d3i71xaburhd42.cloudfront.net/a52385980e360fb807be5a6a19b59a5059f5a5a9/15-Figure18-1.png

AhorroÁrea

HVDCVSC

HVDCLCC


Sistemas de transmisión VSC-HVDC

http://www.rignitc.com/wp-content/uploads/2015/09/MOSFET-ON-OFF.png

El MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Control por V

Se enciende con tensión en G siempre que VC>VESe puede apagar al llevar la tensión en G a cero

Pero el suicheo produce pérdidas mayores que con SCR´s

El IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

En un convertidor DC-AC se requiere diodo rueda libre para permitir corriente

en ambas direcciones (ca)

Con “freewheelingdiode”


Válvulas

IGBT: Transistores Bipolares de Compuerta Aislada

ABB

IGBT Con “freewheelingdiode” 4,5 kV

• Enfriamiento por agua• Fibra óptica para

sistema de control.• IGBTs compartimientos

de aluminio y acero.


Componentes básicos enlace VSC - HVDC

IGBT



Componentes básicos enlace VSC - HVDC

• Transformador convencional monofásico o trifásico con OLTC

• El reactor convertidor es clave para controlar +Q o -Q• Los capacitores cd funcionan como almacenadores de energía

Transformador reserva proyecto

Caprivi ABB Siemens



Dos niveles.:+Vd y -Vd

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/28/2-level-animation.gif



Convertidor DC – AC Trifásico

“Alta frecuencia de suicheo con

pérdidas aprox. del 1% vs. 0.5%

aprox. de LCC

PWM

Vd

1

6

3

4

ab

2

5

c

+Vd/2

-Vd/2

+_

+_

+Q

-Q

+P-P

Control de P y Q


x

xx

x

Φ

Φ

No requierefuente de ca o requisitos fortaleza


Ucd1 Ucd2

X

Control Vca

qref1PWM

Control interno de corriente

+

-Uca_ref1iUca1

XUcd ref1+

-

Control Vcd

Pref1

Control Vcd

X ++Ucd ref2

Pref2

-

PWMControl

interno de corriente

X+

-i

Control Vca

qref2

Uca2 Uca_ref2

Ejemplo de control



VSC Multinivel – VSC MMC-HVDCModular Multilevel Converters (MMC)

https://S. Khomfoi and L. M. Tolbert, Power Electronics Handbook, 2nd ed. Amsterdam: Elsevier, 2007

https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fcommons.wikimedia.org%2Fwiki%2FFile%3AMMC-animation.gif&psig=AOvVaw2fmnoaMgrd9speIAWCpUr_&ust=1590156843041000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCPDR9oeSxekCFQAAAAAdAAAAABAe


VSC MMC -HVDC

Half-Bridge Full- Bridge (H Bridge)

Van Hertem, Gomis, Liang. HVDC Grids for offshore and supergrid of the future. IEEE-Wiley, 2016


Acciones protecciones ante falla MMC HB:

• Bloqueo de los pulsos de control de los IGBT• Disparo interruptores de ca• Desconectar filtros ca (evitar sobretensiones)• Realizar ecuencia de carga del convertidor al reenergizar

(ej: 500 ms Caprivi – CIGRE B4 2012 Magg et al.)• Como vemos, el MMC HB no puede controlar

corrientes de falla cd

Acciones protecciones ante falla MMC FB:

• El MMC FB puede controlar corrientes de falla cd• No se require disparo de interruptores de ca

VSC MMC -HVDC



LCC vs. VSC


LCC vs. VSCLíneacostera

Off-shoreWind farm

Off-shorePlatform

VSC

Cable submarino

LCC Red de caOn-shore

Filtros ca


LCC vs. VSC

Aspecto LCC VSC

Tipo semiconductor Tiristor (ON) IGBT (ON/OFF)Control rápido de potencia P o Q P P/Q

Entrega o demanda QDemanda alrededor del 50% de Pactiva

Entrega o absorve Q / es controlable

Control tensión Sí, VQs, TAPS, otros HVDC Sí, Función STATCOMAmortiguamiento Oscilaciones de P Sí SíReversa potencia Sí Sí, rápida (Inelfe 150 ms)Control frecuencia sistema ca Sí Sí, muy flexibleFiltros de ca Requeridos Pequeños o Ninguno (MMC)Contribución cortocircuito No NoSCR mínimo 2 NACapacidad Black Start No SíSobrecarga Debe especificarse Debe especificarseÁrea Alta por filtros ca Compacto, 50%-60% de LCC


LCC vs. VSCTecnología LCC VSC

Configuraciones Monopolar, bipolar Monopolar, bipolar

Aplicación PtP, BtB, Multiterminal PtP, BtB, MultiterminalTecnología Madura y en crecimiento En desarrollo y en crecimientoConexión cable Mass Impregnated Permite XLPE Máximas capacidades en construcción actual 12 GW, ±1100 kV 2000 MW, ±500 kVTransformador de potencia Especial ConvencionalCosto Menor MayorPérdidas mínimas en convertidores 0.6% 1%Tiempo de respuesta a fallas DC ms ms, atención al HB

Control de la corriente de cortocircuito de cd

SíMMC HB: No (apertura CB de lado ca); MMC FB: Sí (No apertura CB lado ca)

Recuperación después de fallas ≈300ms (desde inserción falla)mayor, alto

Inyección de Q durante cortocircuito No SíExpansión por etapas Sí Sí

50

Gracias


DC systems and power electronics

concepción sistemas hvdc – aspectos claves y diseño · conversatorio hvdc, colombia, junio 3 de...

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