Investigacin Completa de HVDC

I.- Desarrollo de HVDC Tecnologa1.1 Introduccin1.2 Ventajas desventajas de los sistemas HVDC1.3 Los costos del sistema HVDC1.4 Descripcin y Organizacin de Sistemas HVDC1.5 Revisin de la fiabilidad del sistema HVDC1.6 Caractersticas HVDC y Aspectos Econmicos

II.- Conversin de Energa 2.1 tiristor2.2 3-Fase Convertidor3 2 3-Fase completa Puente Convertidor2.4 12- Convertidor de Pulso

III.- Los armnicos de HVDC y Remocin3.1 Introduccin3.2 Determinacin de la impedancia resultante de armnicos3.3 Filtro de Potencia Activo

IV.- Control de la HVDC y sistema convertidor 4.1 Control de convertidor para un sistema HVDC4.2 Conmutacin Fracaso4.3 Control de HVDC y Diseo4.4 Funciones de Control HVDC4.5 Potencia reactiva y la Estabilidad de Voltaje4.6 Resumen

V.- Las interacciones entre CA y CC Sistemas5.1 Definicin de Relacin de cortocircuito y relacin eficaz de cortocircuito5.2 Interaccin entre HVDC y Sistema de alimentacin de CA

VI.- Circuito Principal Diseo6.1 Convertidor de Circuito y Componentes6.2 Convertidor Transformador6.3 Sistema de refrigeracin 6.4 HVDC Lnea area6.5 HVDC Tierra Electrodos6.6 HVDC por cable6.7 HVDC Telecomunicaciones6.8 Sensores de corriente6.9 HVDC ruido y vibraciones

VII.- Fallo Comportamiento y Proteccin del Sistema de HVDC7.1 Funciones de proteccin de la vlvula7.2 Accin protectora de un sistema HVDC7.3 Proteccin de las acciones de control7.4.- Anlisis de fallos

VII.- Aislamiento Coordinacin de HVDC8.1 sobretensiones8.2 Funciones de los descargadores en una estacin HVDC8.3 Aislamiento de Coordinacin del Sistema de Cheju HVDC

IX.- Un ejemplo prctico de un sistema HVDC9.1 Introduccin9.2 Descripcin del sistema9.3.- Control de Fase

X.- Otras Configuraciones Converter para HVDC Transmisin10.1 Introduccin10.2 Voltaje Fuente Converter (VSC)10.3 CCC y CSCC sistema HVDC10.4 Multi-Terminal Transmisin DC

XI.- Modelado y Simulacin de Sistemas HVDC11.1 Simulacin Alcance y Alcance11.2 Mtodos rpidos para la simulacin exacta11.3 HVDC Modelado y Simulacin11.4 Cheju-Haenam HVDC en tiempo real Digital Simulador

XII.- Presente y propuestas futuras instalaciones de sistemas HVDC12.1 EE.UU.12.2 Japn12.3 Europa12.4 de China12.5 de la India12.6 Malasia / Filipinas12.7 Australia / Nueva Zelanda12.8 Brasil12.9 frica

13.- Tendencias para aplicaciones HVDC13.1 Parque Elico Tecnologa13.2 Moderno convertidor de voltaje Fuente Sistemas (VSC) HVDC13.3 Sistema de 800kV HVDC

Alta Tensin en corriente continua (HVDC)

Estructura de desarrollo del Proyecto

I. INTRODUCCIN

La Corriente continua de alta tensin(HVDC por sus siglas en ingls, High Voltage Direct Current) es un sistema de transporte de energa elctrica utilizado en largas distancias. Habitualmente, se utilizancorrientes alternasparaeltransporteyusodomstico dela electricidad. Principalmente, debido a que sepuedeconvertircontransformadores de una tensin a otra. As se utilizan tensiones muy altas para el transporte elctrico y tensiones ms bajas y seguras para uso domstico. La tcnica HDVC es la primera eleccinpara un transporte eficiente de la corriente en trayectos largos (>400 km) y con cables martimos. En los territorios extensos con un gran nmero de poblacin, las lneas de transmisin de alto voltaje en corriente continua transfieren actualmente varios gigavatios de potencia elctrica con hasta800 kV de tensin a lo largo de miles de kilmetros. La corriente procedente deparqueselicosenultramaralejadosdela costa puede suministrarse a la red usual de forma eficiente gracias a la transmisin de alto voltaje en corriente continua.

II. ALTA TENSIN EN CORRIENTECONTINUA (HVDC)

En la utilizacin de lneas de transmisin en corriente alterna se encuentran los efectos ambientales, ya que los conductores generan campos electromagnticos. Otros de los inconvenientes estn relacionados con las instalacin de las torres necesarias para transportar y sostener el cableado y las limitaciones en la distancia mxima quepuede haber entre torrey torre. Gracias a todas estas limitaciones diferentes empresas, universidades y gobiernos, han desarrollado planes de investigacin, desarrollo e implementacin de diferentes mtodos de transporte de energa, tal como el HVDC. Aunque dicha tecnologa, fue estudiada incluso antes que las lneas de transmisin convencionales (corriente alterna), no fueron implementadas, debido a que la tecnologa necesaria para su aprovechamiento, en el momento, no estaba lo suficientemente desarrollada, por lo que los sistemas HVDC eran ms costosos que los de transmisin en alterna. Los avances que se han producido en la electrnica de potencia de las ltimas dcadas, han permitido que los sistemas de HVDC sean hoy una realidad. Actualmente en el mundo existen ms de 90 proyectos que implementan sistemas HVDC, sumando ms de 70 GW de potencia total instalada. La instalacin de lneas de transmisin HVDC presenta una serie de ventajas frente HVAC, entre ellas:1) Una lnea de transmisin area con tecnologa HVDC puede ser diseada de tal forma que su coste sea inferior, por unidad de longitud, en comparacin con una lnea HVAC, de la misma potencia.

2) La capacidad de implementar sistemas HVDC con lneas subterrneos o submarinas, permite en muchos casos, acortar distancias y por ende, costos. 3) Los sistemas de HVDC permiten longitudes de las lneas de transmisin del orden de los 600 km mientras que las de HVAC se encuentran por el orden de los 50km.

4) La capacidad de interconectar redes elctricas asncronas, es una de las ventajas que presenta esta tecnologa.

III. COMPONENTES DE UN SISTEMAHVDC

Los sistemas HVDC cuenta con dos convertidores de potencia, (uno en cada uno de los extremos de la red), inductancias de lnea, filtros de AC a la salida de cada convertidor y cables conductores que comunican la estaciones. Las caractersticas de cada uno de estos componentes dependen del tipo de tecnologa implementada en la construccin del sistema HVDC. ste tipo de tecnologa se divide en dos tipos, la convencional y la VSC HVDC.

IV. HVDC CLASSIC.

La tecnologa convencional HVDC tiene como caracterstica 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 nicamente controlar lapotencia activa y no la reactiva. Entre sus ventajas se encuentra la capacidad de manejar muy altas potencias, del orden los 6-7 GW con altos niveles de tensin, 800kV aproximadamente.

V. VSC-HVDC

El segundo tipo de tecnologa HVDC estbasadaenconvertidoresdepotenciacon topologa VSC o Voltage Source Converter con semiconductores de potencia del tipo IGBT. Aunque este tipo de tecnologa no maneja valores de potencia tan altos como la clsica (su potencia se encuentra en el orden de 1GW con una tensin de aproximadamente300 kV), posee caractersticas especiales que la hacen atractiva a la hora de su implementacin: Capacidad de conmutar a altas frecuencias, permitiendoobtener unarespuesta dinmica rpida y reduciendo el tipo de armnicos a manejar, por lo cual se pueden dimensionar filtros de menor tamao, peso y costo.

Control independiente de la potencia activa y reactiva.

Fig 1. Componente de un sistema HVDC.

Aunque muchos de los consumos instalados actualmente funcionan con corriente continua, todos ellos estn diseados para realizar la conversin desde el nivel de corriente alterna al que estn conectados al de continua necesario para su funcionamiento. Del mismo modo, la generacin de energa elctrica se realiza en AC.Estosignificaque, paratransportar la energa utilizando HVDC, es necesario convertirla deAC aDC paraposteriormente realizar la transformacin inversa, de DC a AC. Los principales elementos en este dobleproceso son:

Convertidores AC/DC (rectificadores) y DC/AC (inversores). Transformadores de conversin. Lneas de transporte. Filtros AC y DC.

VI. FILTROS

Debido al alto contenido de armnicos generados en el convertidor, es necesaria la instalacin de filtros tanto en el lado de AC como en el de DC. Existen valores lmite tipo en funcin de la clase deinterferencia aatenuar.Algunos de estos valores son: En frecuencias entre 150 kHz y 500 kHz deber generarse un ruido inferior a 30dBm (0 dBm = 0,7 75V, 1 W sobre 600 y un ancho debanda de 4 kHz). En el rango de radiofrecuencia de 500 kHz a 30 MHz deber cumplirse la norma ENV50121-5 (1996).El ruido por efecto corona cerca de la estacin de conversin y lneas areas no debe exceder los 100 V/m entre los 500kHz y los 30 MHz.

VII. FILTROS ACLos filtros en el lado AC de la estacin de conversin se encargan de absorber los armnicos generados por el convertidor y deproporcionarunapartedelapotencia reactiva que necesita el convertidor (depende de la potencia activa, la reactancia del transformador y el ngulo de control de las vlvulas).El orden de los armnicos depende del tipo de convertidor. Por ejemplo, un Convertidor de 6 pulsos genera armnicos de orden 6n1, siendo en el orden del armnico. En uno de 12 pulsos, en cambio, los armnicos son de orden 12n 1. Estas seran las condiciones de funciona-miento ideal, pero en condiciones de explotacin normal, asimetras y otros defectos de la seal, seproducen armnicosno caractersticosde los convertidores, como los de 3 orden, quetambinhandefiltrarse.Estosfiltrospuedenserdeprimer,segundootercerorden, con frecuencias de resonancia entre 3y 24Hz.

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 dinmico, principalmente en sistemas conbajapotenciadecortocircuitoolneas HVDC largas. Este sistema, unido apequeosfiltros,mejoralacalidaddela seal reduciendo el rizado y la demanda de energa reactiva. Estos condensadores se sitan entre el transformador y el puente de vlvulas para reducir la corriente causada por la capacidad de los cables en caso de desconexin y el fallo del inversor. Esto se debe a que, en estepunto,lacorrienteestcontroladay,porlo tanto, determinada por el convertidor.

IX. TRANSMISIN CCLa transmisin de corriente continua se basa en convertir la corriente alterna en continua en una estacin rectificadora, transmitir la energa en una lnea bipolar de CC y convertirla de nuevo en corriente alterna en una estacin inversora. Desde el punto de vista del sistema, la tecnologa de corriente continua simplifica la transmisin a largas distancias. Las estaciones rectificadora e inversora pueden controlar rpidamente la corriente y la tensin y, por tanto, son adecuadas para controlar elflujode potencia. Ladiferencia de ngulo de fase entre los extremos transmisoryreceptornotieneimportancia si la nica conexin es de CC. En realidad, las redes conectadas pueden ser incluso asncronas, ya que la corriente continua no tiene ngulos de fase y no depende de la frecuencia. Las averas en lneas de CC o en convertidores harn 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 lneas de CCparalelasquecontrolenladiferenciadepotencia.

Fig. 3. Con el sistema HVDC de 800 kV es posible transferir una potencia de hasta 18.000 MW en un nico derecho de paso.

X. LNEAS DE CC PARA UN SISTEMAHVDC

Las lneas de transporte ya sean areas, subterrneas o submarinas estn siemprepresentessalvoenconfiguraciones back-to-back. En funcin de la configuracin y la conexin se emplear un determinado nmero de conductores. Muchas instalaciones utilizan electrodos para el retorno por tierra o mar,perodebidoalaoposicinporcausas medioambientales es comn emplear retorno metlico por cable, aunque encarezca la instalacin, adems en las ltimas instalaciones se instala junto con los conductores de CC un enlace de comunicaciones a base de fibra ptica.Lneas areas:Las lneas areas que se emplean en el transporte HVDC tienen una serie de ventajas frente a las de transporte HVAC. Las torres estn mecnicamente diseadas como si de una lnea de CA se tratara, aunque cabe sealar diferencias en cuanto a la configuracin de los conductores, el campo elctrico y el diseo de los aisladores. Es en los aisladores donde las lneas de CCpresentan problemas,ya que estosse disean a partir de la norma IEC60815, que marca los estndares para lneas de CA. La lnea de fuga (Distancia ms corta entre dos conductores, medida a lo largo del dispositivo que los separa. Es el parmetro en el que se basa el diseo de aisladores)para CA se basaen tensionesfase-fase,entre conductores, pero al trasladar estas distancias para los conductores en CC se debe tomar como referencia la tensin fase tierra, por lo que se debe multiplicar el factor dado por la norma por 3.

4. Tipos deaisladores y caractersticas.

En cuanto a los cables disponibles actualmente para las conexiones subterrneas y submarinas, algunos utilizados tambin en HVAC, el estado de la tecnologa es el siguiente:

a) Cable de papel impregnado (massimpregnated cable):

Es el tipo ms 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 despus envuelto en una capa deplomoparamanteneraisladoelmedioambiente de los componentes aislantes delpapel impregnado. La capa que sigue se compone de polietileno extruido para aportar la proteccin anticorrosin, 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 FluidFilled). El conductor est aislado mediantepapelimpregnado,igualqueenelcaso anterior, pero en este caso con un aceite debajaviscosidad.Adems,elcableest recorrido longitudinalmente por un conducto a travs del que circula un aceite refrigerante. Debido al conducto de refrigeracin, la longitud de utilizacin queda limitada a alrededor de 100 km, no as la profundidad, y su utilizacin es a veces discutida debido a los riesgos medioambientales que entraa 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 est formado por hilos de cobre aislados, como indica su denominacin, a base decapas de polietileno reticulado. El material aislante permite temperaturas de trabajo normal de hasta 90C y de 250C 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 ms se ha investigado tantopara transmisin HVDC.

Fig. 5. Conductor XLPE a) HVDC. b) HVAC trifsico. c) MVAC trifsico (media tensin).

XI. APLICACIONES EN ENLACES HDVC

El sistema HVDC clsico se usa frecuentemente para interconectar sistemas elctricos separados donde no es posible utilizar conexiones tradicionales de corriente alterna: por ejemplo, en interfaces de 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 (estacin convertidora de CA a CC) y el inversor (estacin convertidora de CC a CA) estn situados en la misma instalacin. Muchas transmisiones HVDC de larga distancia (> 600 km) conectan instalaciones generadoras (grandes centrales hidroelctricas y trmicas) con puntos ptimos de inyeccin en la red. Las transmisiones HVDC por cable sonprincipalmentedetiposubmarino(>50km) y con frecuencia enlazan sistemas elctricos asncronos. Actualmente estn en explotacin 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 aceites (terrestres y/o submarinos), de hasta 180 km de longitud.

Fig.6.EstacinconvertidoraHVDClight.

XII. CONVERSION HVAC HVDC

Dado que los sistemas de generacin elctrica, son operados en CA, se requiere entonces convertirlos previamente en CCparasuposteriortransmisinporcablesa grandes longitudes. Este complejo mecanismo de conversiones, implicar por lo tanto, el uso de estaciones conversoras en ambos extremos, para transformar CA en CC en el punto de envo (1), y CC a CA en el extremo receptor (2),pero lo mejor es que las dos redes extrema no estaran obligadas a estar sincronizadas, ya que pueden tener diferentes frecuencias y diferentes tensiones,brindandolaposibilidadhastadepoderunir sistemas de transmisin de diferentes pases facilitando el intercambio y el comercio energtico internacional.

Fig. 8. Esquema de conversin de HVAC A HVDC.

Existen dos tcnicas lograr la conversin de CA a CC y viceversa:Tecnologa Line Commutated Converter (LCC):Ha existido por varias dcadas para usos marinos, con cables tipo MI (masa impregnada). Esta tecnologa requiere interconectar necesariamente dos puntos depotencia activa en cada lado del enlace.

Tecnologa Voltage Source Converter (VSC):Esta tecnologa ha entrado en uso comercial recin a partir del ao 2000 para dar lugar a la moderna transmisin por medio de cables XLPE. Contrariamente a LCC, tambin se puede aplicar para unir redes aisladas, como por ejemplo, suministrar energa a partir de una fuente degeneracin, hacia una islas remota sin generacin alguna (extremo final solo consumidor).

XIII. CONCLUSIN

La transmisin de corriente directa en alta tensin permite visualizar las ventajas quepresentaantelossistemastradicionalesde transmisin de corriente alterna, tanto en el volumen de potencia que se puede transferir, como en las cuestiones econmicas por la instalacin de los sistemas de transmisin y conductores elctricos. Los sistemas para transmisin de alta tensin en corriente continua (HVDC), permiten transmitir hasta tres veces ms megavatios a travs del uso de las mismas torres de alta tensin, y de los mismos cables subterrneos con sistemas de CA; y pasan a posicionarse como la tecnologa de eleccin para la transmisin masiva a largas distancias. Solo en Europa, ms de 10.000 Km de transmisin en HVDC se encuentra actualmente en servicio. Por otra parte, dada la creciente dificultades en obtener permisos para las nuevas lneas de energa en zonas urbanas y rurales, el HVDC pasar finalmente a ser la nica solucin para el aumento de capacidades de transporte tambin en distancias ms cortas.

XIV BIBLIOGRAFA

1.- Sistemas Elctricos de Potencia (Walter Brokering Christie, Rodrigo Palma, Luis Vargas). Pg. (273-400).2.- HVDC Transmission: Power Conversion Applications in Power Systems (Chan-Ki Kim, Vijay K. Sood, Gil-Soo Jang, Seong-Joo Lim, Seok-Jin Lee).3.- http://new.abb.com/systems/hvdc4.- http://www.energy.siemens.com/hq/en/power-transmission/hvdc/5.- http://www.alstom.com/grid/products-and-services/engineered-energy-solutions/hvdc-transmission-systems/HVDC-MaxSine/