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Título: Tecnologías utilizadas en HVDC LCC Paul LOJANO, Miriam MORALES, Carlos PARAPI, Antony VELEPUCHA, Andres Peñaherrera. Unidad Académica de Ingeniería de Sistemas, Eléctrica y Electrónica, Universidad Católica de Cuenca Cuenca, Ecuador [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] AbstractHVDC transmission systems are a type of technology used when distances are a great obstacle for losses in CA, though much has to do installation cost maintenance of DC lines. In whom in this article we will try as rectify CC technology and conversion CA the thyristor. Resumen— Los sistemas de Transmisión HVDC son un tipo de tecnología utilizado cuando las distancias son un gran obstáculo por las pérdidas generadas en CA, aunque mucho tiene que ver el costo de instalación mantenimiento de las líneas de CC. En el cual en este artículo trataremos como tecnología de rectificación a CC y conversión a CA los tiristores. Palabras clave: Tecnología LCC, tecnología HVDC clásica. I. INTRODUCCIÓN Actualmente los recursos para la generación eléctrica se encuentran en lugares cada vez más lejanos de los sitios de consumo, es por ello que se vuelve muy importante el transporte de energía a largas distancias, considerando que actualmente las redes eléctricas de CA son un tipo de tecnología más utilizada por sus costos más económicos, pero también tienen ciertas desventajas al hablar de distancias por sus pérdidas capacitas, donde es necesario contar con equipos de compensación. Es ahí donde es necesario contar con las líneas de transmisión de alta tensión en corriente directa, llamada también HVDC, en las cuales por las características de la corriente continua no hay este tipo de perdidas, cabe mencionar que sus costos de construcción son más elevadas. El sistema HVDC lo que hace es convertir la corriente alterna en corriente directa, lógicamente en una estación de rectificación, para luego transmitirla por las líneas de transmisión y finalmente hasta otra estación de conversión para realizar el proceso inverso, en estos procesos de rectificación y conversión se utiliza los

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lineas HDVC y transmicion de alto voltaje

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Título: Tecnologías utilizadas en HVDC LCC

Paul LOJANO, Miriam MORALES, Carlos PARAPI, Antony VELEPUCHA, Andres Peñaherrera.

Unidad Académica de Ingeniería de Sistemas, Eléctrica y Electrónica, Universidad Católica de Cuenca

Cuenca, Ecuador

[email protected]@live.com [email protected]

[email protected] [email protected]

Abstract— HVDC transmission systems are a type of technology used when distances are a great obstacle for losses in CA, though much has to do installation cost maintenance of DC lines. In whom in this article we will try as rectify CC technology and conversion CA the thyristor.

Resumen— Los sistemas de Transmisión HVDC son un tipo de tecnología utilizado cuando las distancias son un gran obstáculo por las pérdidas generadas en CA, aunque mucho tiene que ver el costo de instalación mantenimiento de las líneas de CC. En el cual en este artículo trataremos como tecnología de rectificación a CC y conversión a CA los tiristores.

Palabras clave: Tecnología LCC, tecnología HVDC clásica.

I. INTRODUCCIÓNActualmente los recursos para la generación

eléctrica se encuentran en lugares cada vez más lejanos de los sitios de consumo, es por ello que se vuelve muy importante el transporte de energía a largas distancias, considerando que actualmente las redes eléctricas de CA son un tipo de tecnología más utilizada por sus costos más económicos, pero también tienen ciertas desventajas al hablar de distancias por sus pérdidas capacitas, donde es necesario contar con equipos de compensación. Es ahí donde es necesario contar con las líneas de transmisión de alta tensión en corriente directa, llamada también HVDC, en las cuales por las características de la corriente continua no hay este tipo de perdidas, cabe mencionar que sus costos de construcción son más elevadas.

El sistema HVDC lo que hace es convertir la corriente alterna en corriente directa, lógicamente en una estación de rectificación, para luego transmitirla por las líneas de transmisión y finalmente hasta otra estación de conversión para realizar el proceso inverso, en estos procesos de rectificación y conversión se utiliza los tiristores, a lo que se llama la Tecnología LCC (Convertidores Conmutados por Línea), aunque existen otras tecnologías nosotros nos centraremos en la LCC

II. TEXTO

A. Antecedentes.La tecnología LCC se empezó a utilizar en líneas

transmisión de potencia en una conexión en Suecia con la isla de Gotland, este enlace utilizaba válvulas de mercurio y tenía una potencia de 20MW. El primer ejemplo de aplicación de tiristores lo encontramos en Canadá, con una instalación también pionera por ser la primera conexión back-to-back del mundo, esta tenía una potencia de 320MW. Actualmente hay múltiples proyectos de contracción de líneas eléctricas en CC, con potencias alrededor de 3000MW.

B. Definiciones.La mayoría de los sistemas HVDC en

funcionamiento hoy en día se basan en convertidores conmutados. El término conmutados por la red indica que el proceso de conversión se basa en la tensión de línea del sistema de CA a la que el convertidor está conectado con el fin de efectuar la conmutación de un dispositivo de conmutación a su vecino. Convertidores estáticos conmutados utilizan dispositivos de conmutación que son o no controlada o que sólo se puede activar mediante la acción de control, tales como tiristores. Aunque convertidores HVDC pueden, en principio, ser construidos a partir diodos, tales convertidores sólo se pueden utilizar en

el modo de rectificación y la falta de capacidad de control de la tensión de CC es una seria desventaja. En consecuencia, en la práctica, todos los sistemas HVDC LCC utilizan tanto las válvulas de arco de mercurio o tiristores controlados por rejilla.

En un convertidor conmutado por la red, la corriente continua no cambia de dirección, sino que fluye a través de una inductancia grande y puede ser considerado casi constante. En el lado de CA, el convertidor se comporta aproximadamente como una fuente de corriente, tanto la inyección de rejilla-frecuencia y corrientes armónicas en la red de CA. Por esta razón, también se considera un convertidor conmutado por la red de HVDC como un convertidor de fuente de corriente. Debido a que la dirección de la corriente no se puede variar, inversión de la dirección del flujo de potencia se consigue mediante la inversión de la polaridad de la tensión de CC en ambas estaciones.

C. Principio de Funcionamiento.Esta tecnología se basa en el uso de la

conmutación natural utilizando tiristores, semiconductores semicontrolables que pueden trabajar con corrientes muy grandes y capaces de bloquear tensiones muy altas, Mostrado en la figura 1.

Fig.1 Módulo de Tiristor HVDC [6]

Estos elementos controlan el momento (ángulo) de disparo o conexión durante la polarización directa del dispositivo, pero no logran controlar el corte, que no llegará hasta que sea polarizado inversamente, es decir, sólo el encendido es controlado, el apagado ocurre “naturalmente” al cruzar por cero la tensión. Como consecuencia, los rectificadores LCC permiten controlar la potencia activa pero no la reactiva. Esta configuración se puede ver en la siguiente Figura 2,

Fig.2 Configuración básica de un rectificador de 6 pulsos [2].

Cuando la potencia fluye desde el lado AC hacia el grupo de válvulas la configuración es llamada rectificadora. Si la potencia fluye desde el grupo de válvulas en el lado DC al sistema AC la configuración es llamada inversora. Este tipo de convertidores requieren una fuente de voltaje trifásica equilibrada tanto a la entrada del lado rectificador como a la salida del lado inversor para funcionar [2].

1. Funcionamiento del rectificadorEl rectificador de 6 pulsos mostrado en la Figura

2 es la unidad conversora básica en la transmisión HVDC y es usada tanto como rectificador cuando la potencia llega desde el lado AC hacia al lado DC, como inversor cuando la potencia llega desde el lado DC al lado AC. Las válvulas de tiristores actúan como interruptores que se encienden y dejan pasar corriente cuando les llega un impulso o señal de disparo por la puerta de control. Una válvula conducirá corriente en una dirección siempre que reciba una señal de encendido y que la diferencia de voltaje entre el ánodo y el cátodo sea positiva, de la misma forma la válvula dejará de conducir únicamente cuando la polarización sea negativa. Es decir, las válvulas actúan como interruptores, las cuales son encendidas a voluntad con el objeto de entregar el voltaje continuo deseado.

Fig.3 Proceso de conmutación [2].

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, es llamado conmutación.

Si se considera el proceso de rectificación, cada válvula se encenderá al recibir una señal por la puerta de control (si está en polarización directa). En el proceso de conmutación la corriente de una válvula no se transferirá hacia la válvula siguiente simultáneamente, sino que esta conmutación se

realizará a través de los enrollados del transformador o lo que exista antes del puente, ésta es la llamada reactancia de conmutación (Xc en la Figura 4).

El momento en que la corriente comienza a circular por una válvula, o a conmutar desde una válvula a otra puede ser retrasado posponiendo el momento en que se entrega el pulso de control a los tiristores. Este método permite variar el voltaje promedio entregado a la salida del rectificador.

Fig.4 Forma del voltaje y corriente asociada a los convertidores [2].

Para alcanzar la tensión de funcionamiento de la red a la que se encuentra conectado se hace necesario el montaje de varios tiristores, lo que implica el montaje de torres de cientos de tiristores por válvula que funcionan a la frecuencia de la red (50 ó 60 Hz) y por medio del ángulo de disparo es posible cambiar el nivel de tensión continua del puente. Estos módulos suelen estar suspendidos del techo del edificio, característica dependiente de las zonas con movimientos sísmicos importantes. Ver figura 5.

Fig.5 Válvulas de tiristores [4].

Las válvulas de tiristores actúan como interruptores que se encienden y dejan pasar corriente cuando les llega un impulso o señal de disparo por la puerta de control. Una válvula conducirá corriente en una dirección siempre que reciba una señal de encendido y que la diferencia de tensión entre el ánodo y el cátodo sea positiva; de la misma forma, la

válvula dejará de conducir únicamente cuando la polarización sea negativa. Es decir, las válvulas actúan como interruptores, las cuales son encendidas a voluntad con el objeto de entregar la tensión directa deseada.

El proceso en que la corriente pasa desde una válvula a otra, presentándose una disminución de la corriente en una válvula y un aumento en la siguiente, es llamado conmutación.

2. Ángulos en las estaciones conversorasEn la misma Figura 3 muestra varios ángulos eléctricos,

utilizados comúnmente para definir el modo de operación de las estaciones conversoras. Estos ángulos son medidos utilizando el voltaje trifásico en las válvulas y están basados en condiciones ideales, con el sistema actuando libre de armónicos y el voltaje de conmutación trifásico balanceado. Se aplican tanto al inversor como al rectificador.

3. Ángulo de retraso αEl tiempo expresado en grados eléctricos medido

desde que el voltaje de conmutación sinusoidal idealizado cruza por cero hasta el instante en que la corriente por una válvula comienza a circular. Este ángulo es controlado por el pulso de disparo en la puerta de control del tiristor. Si este ángulo es menor que 90°, el convertidor actúa como rectificador, y si este ángulo es mayor a 90°, actúa como inversor. Este ángulo es a menudo referido como ángulo de disparo.

4. Ángulo de adelanto βCorresponde 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 (idealizado). El ángulo de avance o adelanto β está relacionado en grados con el ángulo de disparo α por:

β=180-α (1)

5. Ángulo de traslapo μEl tiempo de duración de la conmutación entre

dos válvulas expresadas en grados eléctricos.

6. Ángulo de extinción γEl 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 idealizado. Gamma depende del ángulo de avance β y del ángulo de traslapo μ según la siguiente ecuación:

γ=β-μ (2)

7. Compensación de potencia reactivaAl existir el ángulo de retraso y el ángulo de

conmutación (duración en radianes de la conmutación

de dos válvulas) mostrados en la Figura 3, la corriente en cada fase siempre retrasa al voltaje. Es por esto que en el proceso de rectificación siempre va a existir un consumo de reactivos, el cual va a tener que ser proporcionado con dispositivos especiales en el lado AC (filtros AC, bancos de condensadores, etc) o absorbiendo reactivos del sistema AC.

En algunos casos las necesidades del sistema HVDC pueden ser entregadas por el sistema AC, caso especialmente frecuente cuando el rectificador está próximo a la estación generadora. En otros casos, debido al incremento en los niveles de transmisión, es necesario aportar cierta cantidad de potencia reactiva al sistema AC durante condiciones de sobrecarga, con el fin de que pueda mantener los niveles de voltaje, característica común en los sistemas AC débiles.

Por lo general, los filtros AC proporcionan el 60% del consumo de potencia reactiva, siendo el resto aportado por diferentes medios.

Banco de condensadores de derivación. Condensadores sincrónicos Compensadores estáticos de reactivos (CER o

SVC) Bancos de reactores de derivación. Máquinas sincrónicas

El consumo de potencia reactiva varia linealmente con la potencia activa, pero la generación sólo puede ser cambiada en escalones por medio de conectar o desconectar bancos de filtros. La Figura 6 muestra una gráfica que relaciona el consumo de potencia reactiva con el valor de la potencia activa transmitida.

Fig.6 Compensación reactiva [3].

En los sistemas en los que se opera con valores elevados de alfa o gamma, el consumo de potencia reactiva es mayor, por lo que se debe considerar una posible disminución del voltaje continuo. Si esto no es posible, se producirá un aumento considerable de los costes de fabricación de los transformadores y válvulas. Por otra parte, si puede reducirse, habrá un aumento de las perdidas en la línea o cable pudiendo afectar el consumo de reactivos de la otra estación. Además, puede que una operación con un ángulo alfa elevado provoque un aumento en la generación de armónica y del nivel de perturbaciones en ambos lados del enlace de corriente continua.

8. Rectificador de 6 pulsosLa tecnología HVDC clásica utiliza un puente

rectificador trifásico de 6 pulsos, con una tensión trifásica equilibrada a su entrada (diferencia de ángulo entre fases de 120º), el puente rectificador es capaz de invertir el semiciclo negativo o positivo de cada fase, dando a su salida una señal continua variable totalmente positiva o negativa. En el rectificador de 6 pulsos existen seis combinaciones de tensiones de línea (tres fases combinadas de dos en dos) en cada período de la tensión del generador. Se considera que un período del generador son 360º, la transición de la tensión de línea de mayor valor deberá producirse cada 360º/6 = 60º. Ver figura 7.

Fig.7 Rectificador de 6 pulsos - Puente de Graetz.

Como muestra la Figura 7, dos válvulas están conectadas a los terminales de cada fase, una de ellas con el ánodo conectada a la fase (la parte superior de la válvula) y la otra con el cátodo conectada a la fase (parte inferior de la válvula).

El puente de Graetz puede ser utilizado para transportar potencia en dos direcciones: en modo rectificador y modo inversor. La forma de la señal a la salida del puente dependerá del instante en que se disparen los tiristores. Es posible variar el ángulo de disparo desde 0º hasta 180º eléctricos, lo que permite controlar la potencia a transmitir cuando funciona como rectificador de 0º a 90º eléctricos o la de salida cuando funciona como inversor de 90º a 180º eléctricos mediante el control de tensión. Independientemente del ángulo de disparo, la señal será suavizada por una serie de filtros con objeto de obtener una tensión directa lo más estable y plana.

9. Rectificador de 12 pulsosPrácticamente todas las conversoras HVDC

utilizan rectificadores de 12 pulsos en vez del de 6 pulsos mencionados anteriormente.

Fig.8 Rectificador de 12 pulsos [5].

Como se puede ver en la Figura 8, el rectificador de 12 pulsos está formado por 2 conversoras de 6 pulsos conectadas 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 °). La salida de cada conversora de 6 pulsos son dos señales con una frecuencia de 300 Hz desfasadas 30° entre sí. La combinación de ambas señales entrega una señal de 600 Hz, más estable y más plana que en el rectificador de 6 pulsos. Estos convertidores generan armónicos de orden 12n±1 en el lado AC y de orden 12n en el lado DC.

D. Ventajas y aplicaciones de esta tecnología.

1. Ventajas

1.1. Conexión asíncrona, por lo que la frecuencia puede ser diferente en cada extremo, que permite esquemas de control más avanzadas de las turbinas de viento.

1.2. Las pérdidas no limitan la distancia de transmisión.

1.3. Control de potencia activa se puede utilizar para regular la frecuencia de la cuadrícula.

1.4. HVDC no aumenta la potencia de cortocircuito en el punto de conexión, lo que implica que no será necesario cambiar los equipos instalados en la red existente.

1.5. Las corrientes de cortocircuito no se transfieren en enlace HVDC-LCC porque los convertidores de ellos bloquean.

1.6. Cables de CC tienen una vida más larga que los cables de corriente alterna.

1.7. Cables de CC pueden llevar más energía para un determinado tamaño de conductor, en comparación con los cables de corriente alterna.

1.8. Dispositivos electrónicos La energía permiten el control de potencia instantánea.

1.9. Es posible controlar la dirección y la magnitud de la potencia.

1.10. Menor impacto medioambiental tanto por los efectos electromagnéticos de las líneas como por el efecto físico resultante de la instalación de los equipos y líneas.

1.11. En líneas aéreas es más a partir de 600-800 km, y en el caso de sistemas subterráneos o submarinos a partir de 40 km, resulta más económico instalar una línea HVDC porque las pérdidas son mucho menores, las líneas son menos costosas y la capacidad de transmitir potencia es mayor que en HVAC.

2. AplicacionesLos sistemas de corriente continua se basan en

aplicaciones donde el uso de corriente alterna no es técnicamente o económicamente viable.

2.1. Líneas de transporte de potencia a largas distanciasA partir de una cierta distancia, situada entre 400

y 700km, las pérdidas por corrientes parásitas y el coste de una línea de corriente alterna superan a los de una línea de corriente continua, por eso se utilizan instalaciones HVDC.

2.2. Transmisión de potencia en entornos marinos o subterráneos

En corriente alterna las pérdidas de las líneas subterráneas o marinas son considerables debido a la capacitancia de los conductores. Para eliminar este tipo de pérdidas se utilizan sistemas que trabajen en corriente continua.

2.3. Conexión de sistemas eléctricos asíncronos

En distintas zonas del mundo, las redes eléctricas colindantes trabajan a distinta frecuencia, para poder unirlas se utilizan estaciones convertidores, que mediante convertidores modulan la tensión y la corriente a la frecuencia óptima. Esta configuración es conocida como back-to-back.

La estabilización del sistema eléctrico. En grandes sistemas eléctricos, el flujo puede verse inestable bajo ciertas condiciones transitorias, para facilitar el control de estas situaciones se instalan enlaces en corriente continua que permiten un rápido control de la potencia.

E. Otros tipos de tecnología existentes en el desarrollo en HVDC

1.Topología CSC (Current source converters).

Esta topología está basada en el funcionamiento de los convertidores como fuentes de corriente. Esto también ocurría en la topología LCC donde se usaban tiristores, pero los sistemas CSC utilizan semiconductores en los que se pueden controlar su conducción y bloqueo, a diferencia de los tiristores en los que se puede controlar su conducción pero se bloquean de forma natural.

Fig.9 Esquema unifilar de un sistema HVDC-CSC[6]

2. Tecnología modular multilevel converter (mmc).

Con un alto número de niveles la frecuencia de conmutación de cada semiconductor se puede reducir. Puesto que cada evento de conmutación genera pérdidas en los semiconductores, las pérdidas del convertidor pueden reducirse eficazmente.

Un MMC consta de seis brazos de conversión. Cada uno de ellos comprende un gran número de módulos de potencia (PM) y un reactor convertidor conectado en serie.

Las múltiples posibilidades de instalación combinadas con el buen desempeño del HVDC PLUS abren un amplio rango de aplicaciones para esta tecnología:

1.1. Conexiones de DC para un rango de potencia de hasta 1.000 MW, en las cuales se utilizan actualmente solo convertidores conmutados de línea.

1.2. Acceso a la red de redes muy débiles o redes aisladas.

1.3. Acceso a la red de fuentes de energía renovable, tales como los parques eólicos marinos, a través de HVDC PLUS. Esto puede ayudar sustancialmente a reducir las emisiones de CO2. Y viceversa, plataformas de petróleo se pueden alimentar desde la costa a través de HVDC PLUS, de modo que las turbinas de gas u otro generador local en la plataforma pueden ser evitados

1.4. Además, con su rendimiento técnico y su diseño ahorrador de espacio, HVDC PLUS es la solución del mañana para alimentar mega ciudades

III. CONCLUSIONESEn este artículo hemos visto un breve antecedente

históricos de la utilización de la tecnología LCC en el transporte de energía en las líneas HVDC a largas distancias, para poder comprender su necesidad de uso que hoy en día se ha vuelto muy importante en el estudio de la transmisión en donde se debe tener en cuenta algunos puntos a considerar, donde pueden destacar su funcionamiento que básicamente utiliza tiristores para poder controlar el ángulo disparo, pero cabe recalcar que no se puede controlar en apagado del dispositivo de rectificación, esta una de las grandes desventajas por esta razón con este tipo de tecnología solo se pude controlar la energía activa y no la reactiva debido a las carteristas de los tiristores.

Otro punto también a considerar son la ventajas del de esta tecnología en el los sistemas de potencia, razón por la cual su utilización va teniendo gran acogida en las líneas de alto voltaje, ya que a comparación con las líneas de CA pueden cambiar sus costos, perdidas, impacto ambiental, etc. con

forme aumenta la distancia. Pero es necesario considerar, que para pequeñas distancias lo mejor sería construir una línea de CA, por motivo que sus costos iniciales son más bajos.

Concluyendo también que la utilización de las nuevas tecnologías ha ayudado a mejorar los costos de inversión e impacto ambiental, además de suprimir algunos elementos que utilizaban las tecnologías anteriores, acortando los tiempos de ejecución de los proyectos. Como consecuencia de esto, se obtiene la eficiencia más alta que hasta el momento se ha logrado en HVDC.

IV. REFERENCIAS(Frau, 2003)

[3] High Voltage Direct Current Transmission – Proven Technology for Power Exchange, H.P.Siemens. www.siemens.com

[4] IEEE Guide for Planning DC Links Terminating at AC Locations Having Low Short-Circuit Capacities, IEEE Power Engineering Society, June 1997.

[5] Bahrman, M., The ABCs of HVDC Transmission Technologies. ABB Power Technologies AB, Suecia.

[6] http://kosmos.upb.edu.co/web/uploads/articulos/(A)_Tecnologia_MMC_Modular_Multilevel_Converter_en_Sistemas_HVDC_1080.pdf

(IEEE, 2014) 6