Transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje: componentes y tipos de sistema HVDC
La red del sistema eléctrico se clasifica en tres partes; Generación, Transmisión y Distribución de Energía. El sistema de transmisión se utiliza para conectar el sistema generador con la carga. Se utiliza alto voltaje para transmitir la energía y reducir las pérdidas de transmisión.
Según el tipo de potencia transmitida, las líneas de transmisión se clasifican en dos tipos.
- Línea de transmisión HVAC
- Línea de transmisión HVDC
La energía se genera en forma de corriente alterna y la mayor parte de la carga está diseñada para funcionar con corriente alterna. Por lo tanto, en un sistema de transmisión convencional, la energía se transmite a través de la línea de transmisión HVAC. Pero hay varias desventajas. Para superar estas desventajas y la tecnología emergente en electrónica de potencia, se introduce la línea de transmisión HVDC.
¿Qué es HVDC?
HVDC es el acrónimo de Corriente Continua de Alto Voltaje o simplemente CC de alto voltaje. También se la conoce como supercarretera eléctrica o supercarretera eléctrica. HVDC es una forma eficaz de transmitir una gran cantidad de energía eléctrica utilizando CC (corriente continua) a larga distancia mediante líneas de transmisión aéreas, cables subterráneos o cables submarinos.
El sistema HVDC también se utiliza para interconectar redes de sistemas de energía separados que tienen diferentes características y frecuencias donde la transmisión de CA no es aplicable. Hay algunas ventajas de HVDC sobre HVAC, por eso se prefiere en comparación con un sistema HVAC típico. Veamos qué es HVDC y cómo funciona.
Bueno saber:
- La línea de transmisión de energía HVDC más larga del mundo tiene 2385 km. en Madeira, Brasil.
- Recientemente en China, un 12GW la energía se transmitía en 11 kV CC en una distancia de 3300 km.
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Componentes de la línea de transmisión HVDC
La siguiente figura muestra el diagrama unifilar de la línea de transmisión HVDC. Aquí discutiremos la función de cada componente.
El componente utilizado para este sistema se enumera a continuación.
- Transformador convertidor
- Convertidores
- Filtros
- Reactor de suavizado
- Electrodos de tierra y línea de electrodos
- Líneas o cables de transmisión de CC
- Fuente de energía reactiva
- Aparamenta de CA
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Transformadores convertidores
El transformador convertidor es diferente al transformador convencional utilizado en la línea de transmisión HVAC. Porque este transformador está conectado con el equipo de electrónica de potencia y está diseñado para soportar tensión de CC y corrientes armónicas. En el transformador convertidor, el contenido de armónicos es mayor en comparación con el transformador convencional. Por lo tanto, provoca más flujo de fuga y forma puntos calientes locales en el devanado. Por lo tanto, estos transformadores requieren disposiciones de refrigeración adicionales para evitar el efecto de un punto caliente.
El transformador elevador se usa para aumentar el nivel de voltaje en el extremo de envío y el transformador reductor se usa para disminuir el nivel de voltaje en el extremo receptor de la línea. Existen diferentes configuraciones según la aplicación, es decir, se utilizan dos unidades trifásicas o tres unidades monofásicas.
Convertidores
La energía eléctrica se genera y utiliza en forma de energía CA. Por tanto, los convertidores se utilizan en ambos extremos de la línea de transmisión. El rectificador se utiliza para convertir CA a CC al final de la línea de envío. Y el inversor se utiliza para convertir CC a CA en el extremo receptor de la línea. El tamaño de estos convertidores es muy grande y generalmente se ubican en un edificio separado conocido como sala de válvulas.
Cuando se introducen las líneas HVDC, los tiristores se utilizan como interruptor de la electrónica de potencia en los convertidores. Estos convertidores se conocen como convertidores de línea conmutada. En el convertidor de base de tiristores, las válvulas de tiristores están agrupadas en pares. Cada convertidor consta de seis o doce válvulas. Requiere voltaje del sistema de CA para la comunicación. Pero después de eso, se introducen los convertidores de fuente de voltaje. Este tipo de convertidor utilizaba IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) en lugar del tiristor. Y este convertidor no necesita voltaje CA para la comunicación.
Filtros
Los convertidores se utilizan interruptores de electrónica de potencia. Los armónicos se producen debido a la conmutación de convertidores en ambos extremos de una línea de transmisión. Estos armónicos se transfieren al sistema de CA. Y esto puede provocar un sobrecalentamiento del equipo. Por tanto, es necesario reducir o eliminar los armónicos. Los filtros se utilizan para reducir los armónicos.
Estos filtros se utilizan tanto en el lado de CA como en el lado de CC. El filtro utilizado en el sistema de CA se conoce como filtro de CA y el filtro utilizado en el sistema de CC se conoce como filtro de CC. Consiste en combinaciones en serie de condensadores e inductores y sintonizados para eliminar las frecuencias armónicas esperadas.
Los filtros de CA proporcionan baja impedancia y utilizan componentes pasivos. Los filtros de CA proporcionan la potencia reactiva necesaria para el funcionamiento del convertidor. Los filtros de CC son de tamaño pequeño y menos costosos en comparación con los filtros de CA. La intensidad de los armónicos es menor en los convertidores de fuente de tensión en comparación con los convertidores de línea conmutada.
Reactor de suavizado
El reactor de suavizado está conectado en serie con el convertidor en el lado de CC. Se utiliza para eliminar las ondulaciones de la corriente y disminuir los armónicos en el sistema de CC. También se utiliza con fines de protección limitando la corriente de falla. Se puede conectar en el lado de línea o en el lado neutro.
Los reactores de filtrado también se utilizan para regular la corriente continua. Si se produce un cambio repentino en la corriente CC, se opondrá y permitirá que la corriente CC fluya a un valor fijo. Por lo tanto, reduce la tensión en la válvula del convertidor al evitar cambios repentinos. El reactor de alisado es un reactor refrigerado por aceite con alta inductancia.
Electrodos de tierra y línea de electrodos
El punto medio del convertidor es tierra a través del electrodo de tierra a ambos lados de la línea de transmisión. Estos electrodos se colocan a gran distancia (5 a 20 km) de la subestación. Y la línea de electrodos se utiliza para realizar una conexión con los electrodos de tierra. Para reducir la corrosión galvánica también se utiliza la estera de tierra.
Líneas y cables de transmisión de CC
Según el tipo de sistema HVDC, se selecciona el número de conductores. Se utiliza para transmitir la energía HVDC desde el extremo emisor al extremo receptor. En el sistema DC no hay efecto piel debido a la ausencia de frecuencia. Y en comparación con el sistema HVAC, el tamaño del conductor es pequeño para la misma potencia.
Fuente de energía reactiva
Se requiere potencia reactiva para el funcionamiento del convertidor. Esta energía puede suministrarse a través del banco de condensadores, el condensador síncrono o una estación generadora adecuada ubicada cerca del convertidor. En el caso de un convertidor conmutado de línea, la potencia reactiva requerida está entre el 40 y el 60% de su potencia nominal. Esta demanda puede reducirse mediante un transformador convertidor que tenga una gama suficiente de cambiadores de tomas en carga. El filtro de armónicos suministra cierta cantidad de potencia reactiva. En el caso de un convertidor alimentado por voltaje, puede generar o absorber potencia reactiva o real. Por tanto, no requiere una fuente de energía reactiva adicional.
Aparamenta de CA
La estación convertidora consta de varios equipos de protección, como un disyuntor, un interruptor de puesta a tierra, un interruptor de aislamiento y un pararrayos. El disyuntor se utiliza para proteger a los conversos contra el sobrecalentamiento. El pararrayos se utiliza para proteger la estación convertidora de una sobretensión por rayo en el sistema de CA. También consta de un transformador de medida para fines de medición, control y protección.
Tipos de línea de transmisión HVDC
Según la disposición de los cables HVDC, las líneas de transmisión se clasifican en cuatro tipos.
- Sistema monopolar
- sistema bipolar
- Sistema homopolar
- Sistema HVDC consecutivo
Sistema monopolar
En este tipo de sistema HVDC, solo se utiliza un conductor para realizar una conexión entre el extremo emisor y el extremo receptor. Y para el camino de regreso se utiliza el agua del suelo o del mar. Por tanto, el coste de este sistema es menor en comparación con otros sistemas. Pero no es útil para aplicaciones de alta potencia.
Lo positivo o La polaridad negativa se utiliza para transmitir energía. Generalmente, se utiliza polaridad negativa en líneas aéreas porque la interferencia de radio es menor. El diagrama de bloques de este sistema se muestra en la siguiente figura.
Sistema HVDC bipolar
Este sistema es el más utilizado en comparación con otros sistemas HVDC. En un sistema HVDC bipolar, se requieren dos conductores. Un conductor es positivo y el otro es negativo de la misma magnitud con respecto a tierra. Por tanto, la diferencia de voltaje entre cada conductor es el doble. Este tipo de disposición del sistema se utiliza para transmitir energía a larga distancia.
Se utilizan dos convertidores en cada extremo de la línea. El punto neutro está puesto a tierra. Por tanto, cada línea puede funcionar de forma independiente. Por tanto, es una combinación de dos sistemas monopolares. Si ocurre una falla en un conductor, el segundo conductor transmitirá energía continuamente y aumentará la confiabilidad del sistema. En esta condición, el suelo se utiliza como camino de retorno y funciona como un sistema monopolar. Cuando se soluciona una falla, el sistema vuelve a funcionar como un sistema bipolar.
En este tipo de sistemas, normalmente la corriente no fluye a través de la tierra. Pero a veces la corriente de equilibrio fluirá a través de la tierra. El diagrama de circuito de este sistema se muestra en la siguiente figura.
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Sistema HVDC homopolar
En este tipo de sistema se utilizan dos o más conductores en una misma torre. La polaridad de todos los conductores es la misma y lo más probable es que sea polaridad negativa. Para el retorno se utiliza el camino terrestre. En este tipo de sistema, la pérdida de corona y las interferencias de radio son muy menores.
Si ocurre una falla en un conductor, el segundo conductor continuará transmitiendo la energía. En esta condición, más del 50% de la potencia nominal de la capacidad puede transmitirse por sobrecarga en un conductor. Pero aumentará la pérdida de energía. La principal desventaja de este sistema es la gran corriente de retorno. El diagrama de bloques de este sistema se muestra en la siguiente figura.
Sistema HVDC consecutivo
Este sistema también se conoce como sistema de acoplamiento HVDC. Porque este sistema se utiliza para conectar dos sistemas de CA en el mismo lugar. Se conectan dos convertidores consecutivos en el mismo lugar. No hay línea de transmisión. Este sistema se utiliza para realizar la interconexión asíncrona entre dos redes de CA controladas independientemente. El diagrama de bloques de este sistema se muestra en la siguiente figura.
Distancia económica para la transmisión HVDC
El costo de la línea de transmisión HVDC es menor en comparación con la línea de transmisión HVAC si la longitud de la línea es mayor que la distancia de ruptura. En este sistema, los convertidores se utilizan en ambos extremos de la línea. Y el coste del convertidor es muy elevado.
En el caso del sistema de Transmisión HVAC, a partir de cierta longitud, se requieren subestaciones y la red de compensación intermedia es necesaria para una buena calidad de energía. En el caso de la línea HVDC no se requiere este tipo de componente. Y el tamaño de la torre es menor en el sistema HVDC en comparación con el sistema HVAC. Por tanto, el coste total de este sistema es menor.
Pero si la longitud de la línea es pequeña, entonces el costo del convertidor aumenta y, en esta condición, el sistema HVDC no es económico. Por lo tanto, para líneas de larga distancia, la línea HVDC es económica y para una distancia pequeña de línea, el sistema HVAC es económico.
El siguiente gráfico muestra la relación entre el costo y la longitud de la línea para sistemas HVDC y HVAC. El punto donde ambas gráficas se cruzan, ese punto se conoce como punto de ruptura.
Ventajas de la línea de transmisión HVDC
1) Número de conductores
En la línea de transmisión HVAC, según el tipo de sistema, varios conductores serán 3, 4 o 6. Pero en el caso de la línea de transmisión HVDC, la energía puede ser transmitida por un solo conductor, y para la transmisión de energía masiva sólo necesita dos conductores en un sistema HVDC bipolar. Por tanto, disminuirá el coste de los conductores.
2) Tamaño de la torre
En el sistema HVDC, una cantidad de conductores es menor y la distancia requerida entre dos fases y la fase a tierra es muy menor en comparación con el sistema de transmisión HVAC. Por tanto, la dimensión total de la torre es menor en el sistema HVDC. Y disminuirá el costo de la torre.
3) corona
El efecto corona está presente tanto en el sistema de transmisión HVAC como en HVDC. Pero en el caso de la línea HVDC, el efecto corona es mucho menor en comparación con el sistema HVAC.
4) Corriente de carga
En la línea de transmisión HVAC, debido a la diferencia de potencial entre dos fases y fase a tierra, se produce la capacitancia. Y debido a esta capacitancia, la corriente de carga fluirá a través de la línea. Pero en el caso de la línea HVDC, la capacitancia no se produce. Por lo tanto, no hay problemas relacionados con la carga de corriente.
5) Pérdida en la Línea de Transmisión
Debido a la ausencia de potencia reactiva en la línea HVDC, las pérdidas son menores en comparación con el sistema HVAC. La carga se distribuye uniformemente por toda la sección transversal del conductor. Por lo tanto, no hay efecto piel en el sistema HVDC y ofrece menos resistencia a la línea. Disminuye la pérdida de energía de la línea y aumenta la eficiencia de todo el sistema.
6) Carga de línea
En el sistema HVAC, el ángulo entre el voltaje y la corriente decidirá el límite térmico. Debido a un efecto transitorio, la línea puede cargarse hasta un tercio de la clasificación térmica del conductor. Pero en el caso de la línea CC, el transitorio no está presente. El límite térmico de la línea lo decide el tiristor. Por lo tanto, la línea se puede cargar hasta un límite térmico total.
7) Estabilidad y Control
En el sistema HVDC, los convertidores pueden controlar el voltaje y la corriente. Y también la dirección y magnitud del flujo de energía controladas con la ayuda de convertidores. Por tanto, esto aumentará la estabilidad del sistema.
8) Regulación de voltaje
Los dispositivos de compensación se utilizan para una buena regulación de voltaje en la línea de transmisión HVAC. En esta condición, el voltaje del sistema varía con respecto a la carga. Pero, en el caso de la línea de CC, los dispositivos de compensación no se utilizan y el voltaje se puede controlar directamente en las estaciones convertidoras. Los controladores se utilizan en estaciones convertidoras. Por lo tanto, funcionará con corriente y voltaje constantes. Y este sistema tiene una regulación de voltaje muy buena en comparación con el sistema HVAC.
9) Fiabilidad
La mayoría de los sistemas de transmisión de CC son de tipo bipolar y constan de dos conductores. Por lo tanto, si la falla ocurre en un conductor, los demás conductores continuarán suministrando al 50% de su capacidad de carga. Esto no es posible en el sistema HVAC.
10) Factor de potencia
En el caso de CC no se considera el factor de potencia. De manera similar, para la línea de transmisión HVDC, no se considera el factor de potencia.
11) Número de Subestaciones Intermedias
Las subestaciones intermedias son necesarias para compensar la potencia reactiva en un promedio de 300 km de línea HVAC. No se requieren subestaciones intermedias en la línea HVDC y esto reducirá el costo de la línea.
12) Cables Subterráneos
La longitud de la línea de cable subterráneo es la principal limitación en el caso de la línea HVAC debido a la corriente de carga. Pero la carga no está presente en el sistema HVDC. Por tanto, no hay límite de distancia para la línea HVDC.
13) Empate asincrónico
En un sistema eléctrico, la frecuencia es el parámetro más importante. En la línea HVAC, si desea conectar dos líneas de enlace, la frecuencia debe coincidir exactamente para ambos sistemas. Si la frecuencia no coincide, las líneas de unión se conocen como líneas de unión asíncronas. Pero en el caso del sistema DC, la frecuencia no está presente.
Desventajas de la línea de transmisión HVDC
- Los convertidores y filtros se utilizan en ambos extremos de la línea de transmisión. Y el costo de este equipo es muy alto.
- El costo de un disyuntor de CC es muy alto en comparación con el disyuntor de CA. Es una tecnología emergente y aún en desarrollo.
- Los transformadores se utilizan para cambiar el nivel de voltaje en sistemas de CA. Pero es muy difícil cambiar el nivel de voltaje, especialmente en caso de alto voltaje para sistemas de CC.
- En condiciones anormales, es muy difícil controlar el convertidor. Y requería conocimientos y tecnología avanzados en electrónica de potencia. Y también existe un problema con la refrigeración de los interruptores de la electrónica de potencia utilizados en el convertidor.
- Los convertidores no pueden funcionar en condiciones de sobrecarga. Por lo tanto, este sistema no puede funcionar en condiciones de sobrecarga.
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