Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Eléctrica
EL41B Laboratorio de Redes
Transmisión de Corriente Continua HVDC
Otoño 2009
Integrantes: Javier Becerra Claudio Burgos Sebastián Fehlandt Profesor: Nelson Morales Profesores Auxiliares: Diego Medel Ariel Yung
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Índice Índice ................................................................................................................................................... 2 Introducción ........................................................................................................................................ 3 Transmisión en HVDC .......................................................................................................................... 4 Transmisión ..................................................................................................................................... 5 Torres .............................................................................................................................................. 6 Potencia .......................................................................................................................................... 7 Perdidas .......................................................................................................................................... 8 Rectificadores trifásicos para HVDC .................................................................................................... 9 Rectificador trifásico no controlado de 6 pulsos ............................................................................ 9 Rectificador trifásico controlado de 6 pulsos ............................................................................... 11 Rectificador trifásico controlado de 12 pulsos ............................................................................. 12 Rectificador como inversor ........................................................................................................... 13 Componentes de un sistema HVDC .................................................................................................. 14 Convertidores: .............................................................................................................................. 14 Transformador de conversión: ..................................................................................................... 15 Filtros: ........................................................................................................................................... 15 Conclusiones ..................................................................................................................................... 17
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Introducción Desde los orígenes de la transmisión de energía eléctrica se ha desarrollado la transmisión de corriente continua, sin embargo, ésta presenta considerables desventajas, como la imposibilidad de utilizar transformadores para variar niveles de tensión, las dificultades para rectificar voltajes generados por fuentes de corriente alterna, etc. Sin embargo la investigación en esta área nunca ha sido dejada de lado, buscándose siempre nuevas y más eficientes formas de transmisión de corriente continua. La transmisión de corriente continua de alto voltaje HVDC (High Voltage Direct Current) requiere ciertos componentes, entre ellos, sistemas de rectificado e inversión que permitan conectar éstas redes con redes AC, lo que además permite la conexión de sistemas AC de distintas frecuencias o que estén desfasados, etc. En este informe se presentan los principales conceptos relacionados a la transmisión de HVDC, el funcionamiento de sus distintos componentes y sus ventajas y desventajas con respecto a la transmisión de corriente alterna, desde el punto de vista económico, técnico y ambiental.
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Transmisión en HVDC La transmisión masiva de energía eléctrica cada vez cubre mayores distancias debido a que la producción de energías renovables como la producida en centrales hidroeléctricas, la eólica y la solar está condicionada por la localización y no deja otra alternativa. Las dos formas principales de transmisión se pueden realizar mediante conexión mono polar y conexión bipolar. Conexión monopolar: Las dos subestaciones convertidoras se unen a través de un conductor y como retorno se usa la tierra a través de dos electrodos de puesta a tierra o un retorno metálico. que implica un solo sentido de corriente y un retorno por Donde se tiene un polo de voltaje tierra.
Conexión bipolar: Posee dos conductores, uno con polaridad negativa – y el otro con polaridad , por lo que esta configuración se podría considerar como una conexión de dos positiva sistemas monopolares. Cada conductor une las dos subestaciones convertidoras, si uno de los sistemas monopolares deja de funcionar entonces puede funcionar el otro con la tierra como retorno y si ambos funcionan simultáneamente, por la tierra circulara una corriente casi despreciable correspondiente al desbalance de ambos polos.
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Transmisión La transmisión en HVDC se puede hacer por líneas aéreas, subterráneas o submarinas. Transmisión submarina HVDC: La transmisión en corriente alterna por cable submarino está restringida a ~130 kilómetros principalmente por la reactancia propia del cable. La transmisión HVDC es la única solución para largas distancias. Los sistemas HVDC con cables submarinos unen sistemas en distancias mayores a 600 kilómetros con potencias hasta 1.000 [MW], condicionados a profundidades no mayores a 80 [m]. Transmisión subterránea: Transporte de energía mediante líneas subterráneas HVDC a zonas congestionadas donde es imposible la instalación de generación (zonas urbanas con gran crecimiento demográfico y energético). Transmisión aérea: Las líneas aéreas de un sistema HVDC presenta una serie de ventajas importantes respecto a las aéreas HVAC. Una de ellas es el tamaño de las torres. Si bien la distancia entre líneas debido a la tensión es superior en HVDC (en un factor √3), el número de líneas es inferior (dos líneas en HVDC frente a tres en HVAC). Esta diferencia en la distancia entre líneas es debida a que en AC depende de la tensión ente fases, mientras que en DC depende de la existencia entre fase y tierra. El resultado son unas torres de menor tamaño y menor necesidad de corredor de paso. En contra, se podría decir que los aisladores de los circuitos HVDC han de ser de mayor calidad, ya que acumulan mayor cantidad de residuos en la superficie debido al sentido unidimensional de la corriente.
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Torres Torre típica de líneas de transmisión en Torre típica de transmisión de líneas de HVAC. transmisión en HVDC
El impacto ambiental del uso de transmisión aérea en HVDC es menor que en transmisión aérea de HVAC debido a que para la misma transmisión de potencia el tamaño de las torres usadas en HVDC es menor que las usadas en HVAC.
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Potencia Cuando se tienen distancias grandes ente un punto de conexión con otro. La potencia transmitida en un sistema HVDC es, en cierta medida, independiente de la distancia. En un sistema HVAC la capacidad de transporte disminuye con las distancias de las líneas debido a sus efectos inductivos. En este caso las pérdidas óhmicas no son tomadas en cuenta, dado que afectan a ambos sistemas de manera similar, por lo que no son muy relevantes de comparar.
Costos comparativos entre HVDC y HVAC.
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Perdidas Los campos eléctricos y magnéticos generados por una línea HVDC son estáticos y del mismo orden de magnitud que los generados por la tierra de forma natural, por lo que a priori no afecta negativamente a ningún ser vivo. En el caso de los magnéticos, estos campos se anulan al usar retornos metálicos. En caso de HVAC se tiene un campo eléctrico de máximo de 15KV/m, mientras que en línea de HVDC se tiene un campo eléctrico de 15KV/m sin entorno ionizado y de 40KV/m con entorno ionizado. No se considera los campos magnéticos ya que en el caso HVDC se podrían solucionar sin grandes complicaciones. En instalaciones monopolares con retorno por tierra, el campo magnético puede modificar la lectura de una brújula en las proximidades del cable. Esto puede solucionarse mediante un retorno metálico que anule dicho campo magnético. Esta instalación también puede inducir corriente en tuberías o en conductores metálicos cercanos a la estación de conversión. En estos casos, la instalación de un retorno metálico puede ser también necesario. El efecto corona es superior en HVAC, por lo que las medidas para atenuarlo deben ser mayores, con el coste que esto acarrea. En caso HVDC las descargas coronas comienzan con: 30
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ln
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0.096
Con : número de iones negativos creados por un electrón. R: radio del conductor expresado en cm. H: la altura del conductor por sobre el suelo expresado en cm. La generación de ozono por efecto corona es del mismo orden de magnitud que el generado en procesos naturales.
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Rectificadores trifásicos para HVDC Los sistemas rectificadores más usados para HVDC son los de 6 y 12 pulsos, los cuales se componen de dispositivos semiconductores controlados, de esta forma se puede controlar el voltaje medio de salida del rectificador, estos dispositivos semiconductores son llamados válvulas, indistintamente de su construcción. Sin embargo para entender el funcionamiento de estos sistemas se explica a continuación el funcionamiento con semiconductores no controlados, diodos.
Rectificador trifásico no controlado de 6 pulsos El rectificador de 6 pulsos está conformado por 6 diodos conectados 2 a cada fase, de la siguiente forma:
Al aplicar la ley de voltajes de Kirchoff se obtienen las siguientes ecuaciones: 1) 2) Donde todos los voltaje se miden con respecto al neutro de la red trifásica, excepto los voltajes en los diodos, y y son los votajes en los nodos P y N respectivamente. De estas ecuaciones se puede observar que, tanto para los tres diodos D1, D2 y D3 de la parte superior como para los de la parte inferior D4, D5 y D6, solo conduce uno a la vez. Es decir siempre conduce uno arriba y uno abajo. En efecto si condujera más de uno al mismo tiempo, por ejemplo D1 y D2, de la ecuación 1 se obtiene que: Lo que no puede ser ya que los voltajes están desfasados en 120º. Así mismo suponiendo que en la parte de abajo D4 y D5 conducen al mismo tiempo se tiene que:
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Lo que lleva a la misma contradicción anterior. Otra conclusión importante que se puede obtener es que el diodo que conduce en cada instante es el que está conectado a la fase de mayor voltaje, para los de arriba, y a la de menor voltaje para los de abajo. En efecto, si se supone que D1 conduce se tiene que: Y como los voltajes en los diodos son nulos negativos, dependiendo de si conducen o no, se tiene , . que Así mismo si se supone que D4 conduce se tiene que: Y como los voltajes en los diodos son nulos negativos, dependiendo de si conducen o no, se tiene , . que Con esto se puede concluir, teniendo en consideración que los voltajes , y corresponden a los voltajes fase‐neutro correspondientes, ya que están medidos con respecto al neutro. que los 3 diodos de la parte superior funcionan como detector de máximo, conectando el terminal correspondiente de la carga al máximo voltaje fase‐neutro. Así mismo, los 3 diodos de la parte inferior actúan como detectores de mínimo conectando el otro terminal de la carga siempre al menor voltaje fase‐neutro. Es decir, se puede concluir que la carga es conectada siempre al mayor voltaje fase‐fase de manera cíclica. Lo que se puede observar en el siguiente diagrama:
En este esquema se puede ver que la carga se conecta a la siguiente secuencia cíclica de voltajes: Vab, Vac, Vbc, Vba, Vca, Vcb, de frecuencia 6 . Donde es la frecuencia de la red trifásica
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De esta forma se obtiene un voltaje medio DC de:
Y un voltaje rms de:
Donde Vmax es la amplitud del voltaje fase‐neutro. Finalmente para obtener un voltaje constante se debe filtrar la onda rectificada de la misma manera que en un rectificador monofásico.
Rectificador trifásico controlado de 6 pulsos Es muy similar al anterior, la diferencia radica en que en vez de diodos se utilizan semiconductores controlados, es decir en los cuáles se puede controlar el disparo y en algunos casos el bloqueo. Típicamente se utilizan tiristores, los cuales pueden conducir, al igual que el diodo, siempre y cuando la corriente fluya en el sentido permitido, sin embargo los tiristores necesitan además recibir un impulso en una puerta de control para comenzar a conducir, dicha conducción durará hasta que la corriente se invierta de sentido, luego para volver a conducir necesitan otro impulso. De esta forma se puede definir los siguientes ángulos: Ángulo de retraso α: se define como el tiempo expresado en grados eléctricos medido desde que el voltaje sinusoidal cruza por cero hasta el instante en que la corriente por una válvula comienza a circular en sentido contrario. Este ángulo es controlado por el pulso de disparo en la puerta de control del tiristor. Ángulo de traslapo μ: El tiempo de duración de la conmutación entre dos válvulas expresadas en grados eléctricos. Este tiempo se debe a que el proceso en que la corriente pasa desde una válvula a otra, existiendo por lo tanto una disminución de la corriente en una válvula y un aumento en la siguiente, no es instantáneo, la duración de este proceso, llamado conmutación, es la medida por el ángulo μ. Ángulo de adelanto β: Corresponde al tiempo expresado en grados eléctricos medido desde el instante en que la corriente empieza a conducir por una válvula hasta el próximo cruce por cero del voltaje de conmutación. El ángulo de avance o adelanto β está relacionado en grados con el ángulo de disparo α por: β=180‐α Ángulo de extinción γ: El tiempo expresado en grados eléctricos medido desde el término en la conducción de corriente de una válvula hasta el próximo cruce por cero del voltaje de conmutación. Gamma depende del ángulo de avance β y del ángulo de traslapo μ según la siguiente ecuación: γ=β‐μ
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Con esto, se tiene que el voltaje a la salida del rectificador tiene la siguiente forma:
De esta forma variando el ángulo alfa se modifica la forma del voltaje de salida y con ello su valor medio el cuál es de : 1 2 6
√3
3√3
Rectificador trifásico controlado de 12 pulsos Consta de 2 rectificadores trifásicos controlados de 6 pulsos sincronizados (es decir con el mismo ), conectados en cascada:
La salida del rectificador se toma entre los extremos de los conversores de 6 pulsos no conectados entre sí. Con el objeto de conseguir una salida lo más plana posible se utilizan dos tipos de conexiones diferentes en los transformadores de entrada: uno conectado estrella‐estrella (desfase 0°) y el otro conectado estrella‐delta (desfase de 30 ° o 150 °). De esta forma se obtiene una señal de salida de la siguiente forma:
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Con lo que se obtiene un voltaje cuya frecuencia es el doble de la del rectificador de 6 pulsos, 12 (donde es la frecuencia de la red trifásica), y cuya magnitud es del doble de ésta. Es decir el voltaje medio es de: 6√3
Rectificador como inversor Otra de las ventajas de los rectificadores controlados es la posibilidad de ser utilizados como inversores. De las ecuaciones anteriores para el voltaje medio se tiene que: 0 si 90º 180º y 0 si 0º 90º De lo que se desprende que la potencia fluye desde el lado DC hacia el lado AC. Sin embargo se debe tener en cuenta que esto es posible siempre y cuando se trate de redes AC y DC, es decir, éste sistema no es un inversor propiamente tal, pues si se aísla el lado AC del sistema y solo se conecta a una carga, no se obtiene un voltaje trifásico. Es por esto que estos sistemas no sirven por ejemplo para invertir la potencia generada con un panel solar y alimentar un consumo trifásico, para estos fines se utilizan inversores más sofisticados, similares a los monofásicos, sin embargo, esto escapa a los objetivos de la transmisión en HVDC, por lo que no será tratado en este informe.
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Componentes de un sistema HVDC Para poder transportar energía por medio de la tecnología HVDC, es necesario convertirla de AC a DC, para posteriormente realizar la transformación inversa, de DC a AC. Los principales elementos en este doble proceso son: a) Convertidores AC/DC (rectificadores) y DC/AC (inversores). b) Transformadores de conversión. c) Filtros AC y DC. d) Líneas de transporte. Convertidores: Su tarea es transformar corriente alterna en corriente continua y viceversa, lo que determina el tipo de conversión de AC/DC o de DC/AC es el sentido de la potencia, cabe hacer notar que para la transformación AC/DC lo que interesa es tener una entrada con el mayor numero de fases, esto para conseguir una señal continua prácticamente plana (mínimo rizado). Cualquier tipo de convertidor (usando cualquier tecnología actualmente desarrollada) crea una serie de armónicos, tanto en el lado AC como en el DC, es por este motivo que se hace de suma importancia la utilización de filtros AC y DC, para eliminar dichos armónicos. En particular en este los convertidores de 6 pulsos se crean armónicos del orden de 6n+1 en el lado AC y de orden 6n en el lado DC. En el diseño de convertidores se utilizan distintas tecnologías, las principales son las siguientes: Tecnología clásica o LCC: La principal característica de los convertidores clásicos es la utilización de tiristores, los cuales tienen la particularidad de que únicamente se puede seleccionar el momento de disparo, pero no es posible controlar el momento de corte, el cual llegara hasta que el dispositivo sea polarizado negativamente, con lo cual se tiene un convertidor semi controlado, con el cual es posible regular a voluntad la potencia activa, no así la reactiva. Cualquier tipo de convertidor (usando cualquier tecnología actualmente desarrollada) crea una serie de armónicos, tanto en el lado AC como en el DC, es por este motivo que se hace de suma importancia la utilización de filtros AC y DC, para eliminar dichos armónicos. En particular en este tipo de convertidor se crean armónicos del orden de 6n+1 en el lado AC y de orden 6n en el lado DC, mientras que los de 12 pulsos generan armónicos de orden 12n±1 en el lado AC y de orden 12n en el lado DC. Tecnología VSC: Este tipo de convertidor se caracteriza por la posibilidad de controlar tanto el encendido como el apagado de los componentes del convertidor, con lo cual se puede controlar de manera independiente la potencia activa y la reactiva. Esta gran capacidad de control del convertidor con esta a tecnología se debe a la utilización de IGBT´s (Insulated Gate Bipolar Transistor) en lugar de tiristores. Estos dispositivos permiten controlar la intensidad entre 2 de sus terminales mediante el voltaje en un tercer terminal, las ventajas de éste dispositivo frente a los tiristores radica en que con esta tecnología se posee un control total de la señal de potencia, lo cual conlleva a y un menor nivel de armónicos, otro aspecto importante es la baja potencia de control, la cual se logra gracias al aislamiento de la puerta del tipo MOSFET.
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En la actualidad esta tecnología ofrece una potencia nominal máxima de 330 MW funcionando a 150 kV. Diagrama convertidor VSC
Tecnología IGTC: Esta tecnología representa una evolución de los GTO (Gate Turn‐Off Thyristor), el cual era el único interruptor controlado de potencia, en los años 90, este dispositivo era relativamente lento, por lo cual se perfecciono el diseño hasta mejorar disminuir las perdidas en un 40%, en el dispositivo que se conoce como GCT(Gate‐Commutated Thyristor), posteriormente se creó el IGCT, el cual integra el dispositivo antes mencionado(GCT) con un circuito exterior, con lo cual se logra mejorar considerablemente las propiedades del dispositivo. Las pérdidas alcanzadas con el IGTC son similares a las que se producen al utilizar tiristores, es posible utilizar este dispositivo en potencias de 0.3 a 300 MW, pero hasta el momento esta tecnología no es competitiva ni comparable en términos comerciales al alcanzado por la tecnología VSC. Transformador de conversión: El objetivo de los transformadores es convertir la tensión alterna de los sistemas AC en la tensión alterna de entrada de los convertidores HVDC. Por otra parte, también se utilizan como una aislación entre la red y el convertidor. En prácticamente todos los casos se instalan dos grupos de transformadores desfasados en 30 o 150 grados. Estos transformadores se caracterizan por estar diseñados para soportar el alto contenido de armónicos generado por las estaciones conversoras sin sobrecalentarse. Además, están diseñados para soportar la pre magnetización continua del núcleo, el ruido y otras características de este tipo de montajes. Tienen un aspecto diferente a los utilizados normalmente en corriente alterna debido a la altura de sus contactos necesarios para alcanzar las torres de válvulas, que suelen estar suspendidas entecho del lugar de instalación de las estaciones conversoras.
Filtros: En el convertidor se producen un gran número de armónicas, las cuales son inyectadas al lado AC y DC, es por este motivo que se hace necesaria la implementación de filtros a ambos lados del convertidor (para atenuar dichas armónicas), es por este motivo que se habla de filtros AC y DC. Las armónicas se clasifican en dos tipos, las armónicas características (las producidas por el convertidor) y las no características, las cuales son producidas principalmente por: operación no balanceada de los dos puentes conversores que forman los conversores de 12 pulsos, error en los ángulos de disparo, voltajes AC no balanceados o distorsionados y transformadores con distinta impedancia.
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Algunos problemas que se pueden suscitar por la contaminación por armónicas son: 1) Interferencia telefónica. 2) Pérdida de potencia, con el consecuente calentamiento de maquinas y capacitores conectados al sistema. 3) Sobre voltajes debido a resonancia. 4) Inestabilidad en el control de los conversores. Filtro AC: Los filtros AC poseen normalmente una doble función ya que por una parte se encargan de absorber los armónicos generados por las conversoras y por otro proporcionan una parte de la potencia reactiva necesaria en el proceso de conversión. El tipo de diseño del filtro depende de la tecnología que implementa al convertidor, más concretamente a las armónicas características que genera el conversor. A modo de ejemplo si se utiliza un conversor de seis pulsos habrá que diseñar un filtro tal que sea capaz de filtrar armónicas de orden de 6n+1 (ya que este es el orden de armónicas que produce este dispositivo en particular). Filtro DC: Estos filtros se encargan de reducir el componente AC de la señal continua que se desea obtener. Básicamente, son filtros pasa bajos diseñados para filtrar armónicas de varios órdenes. Se conectan en paralelo con la línea DC. Finalmente hay que mencionar, que en todo el aparataje de estas estaciones existe lo que se llama El reactor de alisamiento, el cual protege al sistema de eventuales problemas que se pudieran Suscitar, las principales funciones de este dispositivo son: _Prevención de corriente intermitente: La corriente intermitente debido al ripple de corriente puede causar altos sobre voltajes en el transformador y en el reactor de alisamiento. _ Limitación de la corriente de falla DC: El reactor de alisamiento puede disminuir la corriente de falla y la tasa de aumento para fallas de conmutación y fallas en la línea DC. _ Prevención de resonancia en el circuito DC: El reactor de alisamiento se diseña para evitar resonancia en el circuito DC a bajos órdenes en la frecuencia de las armónicas, como 100 ó 150 Hz. Esto es importante para evitar la amplificación de armónicas desde el sistema AC, como secuencia negativa y la saturación del transformador. _Reducir armónicas de corriente incluida la limitación de interferencia telefónica: La limitación de interferencia viniendo de las líneas aéreas DC es una función esencial de los filtros DC. Sin embargo, el reactor de alisamiento juega un importante labor en reducir armónicas en la corriente actuando como una impedancia en serie.
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Conclusiones La transmisión de energía eléctrica en HVDC es bastante útil y conveniente para solucionar problemas como las distancia, inestabilidad, conectar sistemas asíncronos, etc. Para transmitir a una distancia mayor que 800 Km es muy conveniente ya que el costo es menor que la transmisión en HVAC, pero en una distancia menor ya no es conveniente debido a que el costo de rectificación e inversión es demasiado alto y no se compensa con el ahorro en la transmisión propiamente tal. La transmisión se puede hacer de distintas formas ya sea subterránea, submarina y aérea, y en todas produciendo menos daño a la naturaleza y pudiendo llegar a lugares mucho más alejados. La transmisión en HVDC es mucho más estable y más controlable que en HVAC, pudiendo transmitir mucha más energía eléctrica manteniendo una potencia que se podría decir independiente de la distancia que tenga la línea de transmisión. Las perturbaciones en la línea son menores y es mucho más fácil la inyección de energía eléctrica proveniente de fuentes renovables como la energía eólica, solar, etc.
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