hvdc: principios, tecnologías y aplicaciones
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HVDC: principios, tecnologías y aplicaciones
Gabriel Olguin, Ph.D.
Senior Executive Consultant SKM
CIGRE SC B4 representative (CL)
Operating Model 8 Apr 2010
Objetivo y alcance
• Objetivo:
• Proveer una introducción a la tecnología de transmisión
HVDC ilustrando los dos principios básicos de conversión
comercialmente disponibles: HVDC LCC y HVDC VSC.
• Alcance:
• Se presentan las principales partes constituyentes de un
proyecto típico HVDC LCCS y se discuten proyectos de
referencia
• Se presentan potenciales aplicaciones en Chile destacando
ventajas y desventajas y se discute la potencial aplicación
de HVDC en la interconexión SIC-SING.
Operating Model 8 Apr 2010
Agenda
La guerra de las corrientes AC versus DC
Principios de transmisión de potencia en HVAC
Introducción a la transmisión HVDC
– Conversión AC/DC/AC LCC y VSC
Partes de una estación HVDC LCC
– Arreglo típico, patio HVAC, sala de válvulas,
transformador convertidor, filtros AC
Potenciales aplicaciones en Chile
Operating Model 8 Apr 2010
Un poco de historia …DC versus AC
Para una entretenida descripción de la guerra AC versus DC ver “AC/DC: The Savage Tale of the First
Standards War” by Tom McNichol
Operating Model 8 Apr 2010
Principios de transmisión de potencia en HVAC
El objetivo del sistema de transmisión es transmitir potencia eléctrica
bajo condiciones reglamentadas de calidad (V~1pu) usando líneas aéreas o
cables aislados soterrados o submarinos HVAC
El sistema de potencia HVAC requiere compensar la potencia reactiva y
dado que la carga varía, la compensación de reactivos debe variar
Convencionalmente el control de potencia reactiva se efectúa con
dispositivos electromecánicos: MSC & MSR
El voltaje máximo y mínimo constituyen límites al transporte de potencia
El margen de estabilidad angular MEP y otros fenómenos dinámicos
también constituyen un límite al transporte de potencia por una línea HVAC
La temperatura máxima de diseño o de operación del conductor también
constituye un límite al transporte de potencia
Operating Model 8 Apr 2010
Principios de transmisión de potencia en HVAC
El desempeño eléctrico de una línea HVAC depende del sistema al
que está conectado y de los parámetros de la propia línea XL, YC, R
La potencia natural de la línea SIL es un indicador una base para
expresar la capacidad de transporte de la línea HVAC, la capacidad real
depende la longitud de la línea.
Para líneas aéreas HVAC Zc: 200 y 400 Ω
SIL=V 2
Zc
[W]; sólo depende del V y Zc
Zc =z
y; para una línea ideal, Zc =
L
C;
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Valores típicos en líneas aéreas 220kV y 500kV
7
Voltaje nominal 220kV 500kV
R (Ω/km) 0,050 0,028
X (Ω/km) 0,407 0,271
B (uS/km) 2,810 4,333
Zc (Ω) 380 250
SIL (MW) (1,2,3,4
conductores/fase)
127/160/200/240 X/800/1000/1250
Q en MVAr/km 0,136 1,08
Frecuencia 50 Hz; R, X y B por fase; SIL y potencia reactiva Q trifásica
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HVAC: curva de capacidad de trasporte
Los aspectos que limitan el transporte en HVAC pueden ser
visualizados en las curvas de “cargabilidad”
Longitud en kms
Lím
ite d
e tra
nsport
e e
n p
u d
el S
IL
1.0
2.0
3.0
4.0
80 100 250 500
térmico
Reg. V
Estabilidad
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Fundamentos de la transmisión HVDC
HVDC es una opción tecnológica para transmitir potencia eléctrica.
Usa electrónica de potencia y control digital en convertidores CA/CC/CA.
Existen dos tecnologías: LCC que usa tiristores y VSC que usa IGBT.
La capacidad de transporte no depende de la longitud del enlace
Sistema
AC 1
Sistema
AC 2
LCC/VSC
convertidor
AC<=>CC
LCC/VSC
Convertidor
CC<=>AC
Eventual LT AC
Vdc1 Vdc2
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Fundamentos de la conversión AC/CC LCC
11
2 x convertidores 6 pulsos
A B C
A’ B’ C’
Filtros
AC
/
Υ/Y
Voltaje CC
Voltaje AC
Dada la potencia involucrada, los transformadores suelen ser monofásicos de dos o tres enrollados
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Fundamentos de conversión AC-CC LCC
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Convertidoras HVDC LCC
Cerca del 60% del
espacio de la
convertidora es
utilizado por
equipamiento HVAC, en
particular filtros AC y
compensación de
potencia reactiva
Filtros AC y Comp.
Reactiva polo 1
Sala de válvulas
Filtros AC y Comp.
Reactiva polo 2
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Inversión +
perdidas
Distancia transmisión
Estaciones HVAC
Solución HVAC
Estaciones
conversoras
Solución HVDC
Costos de desarrollo HVDC versus HVAC
Distancia critica
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60 Hz
HVAC 7500 MW
800 kV
60 Hz
HVAC 800kV
34m
50 Hz
HVDC 7500 MW
±600kV
±600kV
60 Hz
HVDC ±600kV
34m
Itaipu Transmission System, 2 x 7500 MW = 15000 MW
Proyectos de referencia: Sistema Itaipú
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HVDC: Líneas aéreas
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Fundamentos de la conversión VSC
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Modelo por fase Dos niveles
Idc
S1- on
S2-off
+Vdc/2
S1- off
S2-on
-Vdc/2
Obs.: El voltaje Vac puede ser +Vdc/2 o –Vdc independiente de Idc
+Vdc/2
-Vdc/2
S1
S2
Vac
Iac
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VSC trifásico: convertidores de 2 y 3 niveles
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cbav ,, av
t
cbav ,,
0
t
av
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Fundamentos del convertidor multinivel
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1dv
1acv
2dv
2acv
3dv
3acv
acv
1acv
1dv
t
2acv
2dv
t
3acv
3dv
t
acv
t
Necesita
el pole (-)
+ pole
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Convertidor modular multinivel, MMC
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SM
SM
SM
SM
SM
SM
+ Pole
- Pole
Iac Phase
reactors
acv
t
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Convertidores HVDC: LCC y VSC
LCC
Arreglo de válvulas de tiristores con
capacidad de soportar voltaje en ambas
polaridades
La polaridad del voltaje del
convertidor puede ser invertida (para
invertir el flujo de potencia en el enlace
HVDC)
La dirección de flujo de la corriente no
cambia
El semiconductor puede ser
encendido por acción de control
El bloqueo del semiconductor
depende del voltaje de línea o red
VSC
Arreglo de módulos de válvulas tipo
transistores (IGBT) con capacidad de
conducir corriente en ambos sentidos
La corriente puede invertirse (para
cambiar la dirección del flujo de potencia
en el enlace HVDC)
La polaridad del voltaje en el enlace DC
no cambia
El semiconductor puede ser
desbloqueado y bloqueado por control
El bloqueo del semiconductor no
depende de la red
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Convertidores HVDC: LCC y VSC
LCC HVDC
Alta capacidad de potencia
Alguna capacidad de sobrecarga
Requiere un sistema AC fuerte
Partida autónoma compleja y depende de equipo adicional
Genera distorsión armónica, requiere filtros AC y CC
Requiere compensación de reactivos por hasta 60% de la potencia
Requiere una gran extensión de terreno dominada por los filtros AC y compensación de reactivos
VSC HVDC
Menores ratings (2013)
Sin capacidad de sobrecarga
Opera en sistemas débiles
Partida autónoma factible
Bajo contenido armónico,
eventualmente no requiere filtros
Puede proveer potencia reactiva
(STATCOM)
Menor espacio: entre 50 – 60% del
terreno para una estación LCC
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Convertidores HVDC: LCC y VSC
LCC HVDC
Componente CC de voltaje
requiere de transformador
convertidor
Pérdidas de potencia bajas 0.8%
Costo menor
Confiabilidad probada
Tecnología madura
Dirección de la potencia es
invertida por polaridad del voltaje
Requiere el uso de cables MI
VSC HVDC
Transformadores más
convencionales debido al bajo
contenido de componente CC
Pérdidas de potencia mayores
Costo de inversión mayor
Confiabilidad por probar
Tecnología menos madura
Dirección de la potencia
controlada por dirección de la
corriente
Ideal para uso con cables XLPE
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HVDC: Madeira
• Potencia: 2x3150MW & 2x400MW
(back-to-back)
• Voltaje AC: 500 kV
• Back-to-back: 500 kV and 230 kV
• Voltaje DC: ± 600 kV
• Longitud de las líneas: 2,500 km
• Razón para selección HVDC LCC:
transmisión de larga distancia
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Western interconector
Interconexión
submarina entre
Escocia e Inglaterra.
HVDC LCC, 420km,
2200MW, +/-600kV.
Entrara en operación
a fines del 2015
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Visión de la State Grid Corporation of China
Ref.: CIGRE 2012 Paris
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HVDC en Chile
• La CNE escogió HVDC como la tecnología más apropiada para la interconexión SIC-SING
• 1500 MW @+/-500kV
• Dos proyectos, ambos en el extremo sur de Chile han estudiado y seleccionado la tecnología HVDC para transportar grandes bloques de potencia al SIC.
– HidroAysén: 2750MW
– Energía Austral: 1000MW
• Otras : – Chile-Perú (60Hz)
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Interconexión SIC-SING
Resoluciones Exentas CNE N° 20 y 29, de fecha 11 y 17 de enero
de 2013, “Plan de Expansión del Sistema de Transmisión Troncal
Período 2012-2013”
Obra Nueva “Interconexión Troncal HVDC SIC-SING”, mediante
una línea de transmisión bipolar de 610 km HVDC 1.500 MW en
±500kV, entre la S/E Cardones y la S/E Nueva Encuentro, y la
construcción de estaciones conversoras HVAC/HVDC en cada uno de
los extremos.
El 31 de enero empresas del sector presentan discrepancias al
Panel de Expertos: tecnología, puntos de interconexión y pertinencia
de la obra de interconexión en un plan de expansión troncal
El Panel resuelve que CNE no tiene atribuciones para indicar
interconexión entre sistemas independientes
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Proyecto de Ley
El proyecto de ley propone modificar el articulado de la Ley
General de Servicios Eléctricos con objeto de:
Incluir expresamente las interconexiones y permitir indicarlas como
nuevas obras de transmisión troncal dentro del Estudio de Transmisión
Troncal (ETT);
Facultar a la Comisión Nacional de Energía para incorporar en su
informe técnico a las interconexiones que hayan sido recomendadas por
dicho estudio;
Permitir la inclusión de interconexiones dentro del Plan de Expansión
Anual, y ordenar a las direcciones de peajes de los Centros de Despacho
Económico de Carga que, conjuntamente, lleven a cabo la licitación y
adjudicación de las líneas de interconexión contempladas en el decreto de
expansión anual de la transmisión troncal.
El proyecto de Ley fue aprobado en la camara de diputados el martes
17 de diciembre de 2013
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Reflexiones finales
El transporte por las líneas de transmisión HVAC queda limitado
por uno de los siguientes criterios: térmico, regulación de tensión y
estabilidad.
La creciente demanda de energía eléctrica y limitada posibilidad de
expandir el sistema de transmisión hace necesario incorporar
tecnologías más eficientes y efectivas de modo de transmitir más
potencia por limitados corredores existentes
La transmisión HVDC permite incrementar la transferencia por
corredores existentes. Existen dos tecnologías: VSC y LCC
La Interconexión SIC-SING podría ser el primer proyecto HVDC en
Chile, siempre y cuando la guerra de las corrientes AC versus DC
termine por definir HVDC como la tecnología ganadora