HVDC

Descripcion deLneas de Transmision DC

Prof. Hector A. Pulgar Painemal

Departamento de Ingeniera ElectricaUniversidad Tecnica Federico Santa Mara

Analisis de Sistemas de Potencia I (ELI-246), Marzo 2012

Prof. Hector A. Pulgar-Painemal Lneas de transmision DC Marzo 2012 1 / 23

Porque necesitamos lneas de transmision DC?

Las lneas de transmision de alto voltaje DC (HVDC: High voltagedirect current) resultan atractivas en los sistemas de potencia porlas siguientes razones:

Menor impacto ambiental

Muchas veces es la solucion mas economica

Permite interconexiones asincronicas

Permite control de flujos de potencia

Entrega ventajas adicionales en la transmision de potencia(estabilidad y calidad de suministro)


Un poco de historia...

Primer sistema de transmision electrica disenado por ThomasAlva Edison

Aparicion del rectificador de vapor de mercurio (1901)

Thyratrons y valvulas de arco de mercurio (1940)

Primer sistema de transmision DC en alta tension (HVDC)(Gotland 1, Suecia, 1954)

Primer valvula de semiconductores de estado solido (1970)

Uso de microcomputadores para el control automatico deHVDC (1979)

HVDC de extra alta tension, 600 [kV] (Itaipu, Brazil, 1984)Primer convertidor conmutado con capacitor (InterconexionArgentina-Brazil, 1998)

HVDC con convertidor de fuente de voltage (VSC: Voltagesource converter) (Gotland, Suecia, 1999)


HVDC en el mundo


HVDC en el mundo

Proyecto Proveedor Ano MW kV km Tipo PasSWEPOL LINK ABB 2000 600 450 254 THY SWEDEN-POLANDDIRECTLINK ABB 2000 3 x 60 80 59 TRA AUSTRALIA

GARABI 1 ABB 2000 1100 70 B-B THY ARG.-BRAZILGARABI 2 ABB 2002 2000 70 B-B THY ARG.-BRAZILRIVERA GEC ALSTHOM 2000 70 20 B-B THY URUGUAY-BRAZILGRITA PIRELLI/ABB 2001 500 400 316 THY GREECE-ITALY

TIAN-GUANG SIEMENS 2001 1800 500 960 THY CHINAHIGASHI-SHIMIZU HITACHI/TOSHIBA 2001 300 125 B-B THY JAPANTHAI.-MALAYSIA SIEMENS 2001 300 300 110 THY THAI.-MALAYSIACROSS SOUND ABB 2002 330 150 40 TRA USAMURRAYLINK ABB 2002 200 150 176 TRA AUSTRALIA

SASARAM GEC ALSTHOM 2002 500 205 B-B THY INDIARAPID CITY TIE ABB 2003 2x100 13 B-B THY USA

E-S INTERCON. II * SIEMENS 2003 2000 500 1450 THY INDIA* UPGRADE SIEMENS 2007 2500 500 1450 THY INDIA

3GORGES-CHANGZ. ABB/SIEMENS 2003 3000 500 860 THY CHINA3GORGES-GUANGD. ABB 2004 3000 500 940 THY CHINA

GUI-GUANG I SIEMENS 2004 3000 500 980 THY CHINAGUI-GUANG II SIEMENS 2007 3000 500 1200 THY CHINA

TROLL A ABB 2004 2x40 60 70 TRA NORWAYLAMAR SIEMENS 2005 210 64 B-B THY USA

BASSLINK SIEMENS 2006 500 400 350 THY AUSTRALIA

Nomenclatura:

B-B back-to-back (sin lnea DC)

THY Thyristor (convertidor auto-conmutado)

TRA Transistor (convertidor de conmutacion forzada)


Aplicaciones tpicas de lneas HVDC

1 Lneas submarinas a distancias mayores a 30 [km]. A estasdistancias, lneas submarinas AC no son recomendadas por laalta capacitancia de los cables requiriendo subestacionesintermedias para compensacion

2 Conexiones asincronicas entre dos sistemas que operan adistinta frecuencia nominal (50 y 60 [Hz], como es el caso delos sistemas Argentino y Brasileno)

3 Transmision de alta potencia a traves de grandes distancias.En general, para distancias superiores a 600 [km] latransmision DC es mas economica que la transmision AC


Tecnologa HVDC

El proceso basico involucrado en HVDC es la conversion AC-DC(etapa rectificadora), transmision DC, y su transformacion finalDC-AC (etapa inversora)


Tecnologa HVDC

Configuraciones tpicas

Figure: Configuracion monopolar

El retorno de la corriente se realiza por tierra (lneas subterraneas)o por agua (lneas submarinas). Cuando el retorno por tierra oagua es objetable (alta resistividad del medio o por interferenciascon estructuras metalicas ubicadas cerca de la lnea), se utiliza unretorno metalico que corresponde a un conductor electricodesnudo. Dado que el potencial electrico es bajo en el punto deretorno, no se requiere de un conductor aislado lo cual disminuye elcosto de instalacion.


Tecnologa HVDC

Figure: Configuracion bipolar

Tpicamente los convertidores transmiten corrientes de magnitudessimilares y por lo tanto la corriente derivada al retorno (tierra oagua) es aproximadamente cero. Los polos pueden funcionarindependientemente uno del otro. Esto aumenta la confiabilidad yaque se puede transmitir potencia aun cuando un polo este fuera deservicio por falla. Produce menos distorsion armonica que laconfiguracion monopolar. En caso que las corrientes de retorno nosean aceptables, se utiliza neutro metalico (semejante al retornometalico del caso monopolar)


Tecnologa HVDC

Basicamente existen 2 formas de llevar a cabo elproceso de conversion: convertidores auto-conmutados yconvertidores de conmutacion forzada

Convertidores auto-conmutados

Es la tecnologa mas utilizada y su elemento semiconductor esel tiristor (capaz de soportar hasta 4 kA y 10 kV)

Un tiristor se activa por medio de un pulso de disparo, pero suapagado no es controlado y ocurre cuando la corrienteinstantanea es cero

Al conectar en serie varios elementos tiristores, es posibleconstruir convertidores que operen a cientos de kV

Controlando el tiempo de conduccion de los tiristores, esposible controlar la tension y la potencia en el lado DC


Tecnologa HVDC

Convertidores auto-conmutados (cont.)

Existen configuraciones que utilizan condensadores seriesconectados entre los transformadores de los convertidores ylos tiristores lo que mejora la respuesta de los convertidores encaso de fallas de conmutacion

Convertidores de conmutacion forzada

Utilizan semiconductores que pueden ser controlados tantopara conducir como para bloquear el paso de la corriente

Semiconductores tpicamente utilizados: GTO (Gate turn-offthyristor) e IGBT (Insulated gate bipolar transistor)

Tienen la ventaja de controlar independientemente potenciaactiva y reactiva e incluso alimentar redes pasivas


Tecnologa HVDC

Convertidores de conmutacion forzada (cont.)

Tambien son llamados convertidores de fuente de voltaje(VSC: voltage source converter)

Pueden conmutar a mayor frecuencia (no a la frecuencia de lared como es el caso de los convertidores auto-conmutados)

Figure: Convertidor auto-conmutado de 6 pulsos


Tecnologa HVDC

Figure: Convertidor auto-conmutado de 6 pulsos (sin retardo deconduccion)


Tecnologa HVDC

Figure: Convertidor auto-conmutado de 6 pulsos (con retardo deconduccion, )


Tecnologa HVDC

Figure: Convertidor auto-conmutado de 12 pulsos (producen menordistorsion armonica que los de 6 pulsos)


Tecnologa HVDC

Componentes de una subestacion convertidora

Valvulas de tiristores o VSC

Transformadores

Filtros AC

Filtros DC

Bancos de condensadores serie y paralelo


Tecnologa HVDC

Figure: Subestacion HVDC monopolar


Tecnologa HVDC

Linea DC

Tpicamente, en proyectos en tierra se utilizan lneas aereasbipolares

En proyectos submarinos se utilizan cables solidos o con aceite

A diferencia de las lneas AC, las lneas DC aereas no tienenlimitaciones en cuanto a su longitud

En el caso de lneas submarinas, y solo cuando se utilizancables con aceite, se puede llegar hasta distancias de 60 km.En cuanto a la profundidad, la tecnologa actual permite llegara profundidades de 1 [km]

Las perdidas de potencia en lneas DC son menores que enlneas AC (Rd.c. < Ra.c.)

Para una misma capacidad de transmision, las lneas DC sonmas pequenas y requieren una menor franja de servidumbreque las lneas AC


Tecnologa HVDC

Figure: HVDC, 220 [MW], 350 [kV], Filipinas, Lnea Leyte-Luzon


Tecnologa HVDC

Dimensiones considerando una misma capacidad de transporte


Costo: HVDC vs HVAC

Figure: Comparasion entre una lnea HVDC con convertidoresauto-conmutados y una lnea HVAC

Costo de inversion HVDC > HVAC

Perdidas en HVDC no aumentan tan considerablemente conla distancia como en HVAC. Perdidas HVDC

Referencias

1. R. Rudervall, J.P. Charpentier, R. Sharma, High voltage direct current(HVDC) transmission systems technology: review paper. Presented atEnergy Week 2000, Washington DC, March 7-8 2000. [Online]http//www.abb.com

2. P. Kundur, Power system stability and control, New York, NY, USA:McGraw-Hill, 1994

3. HVDC Projects Listing, Prepared for the DC and Flexible ACTransmission Subcommittee of the IEEE Transmission andDistribution Committee by the Working Group on HVDC and FACTSBibliography and Records. [Online] http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Projects/HVDCProjectsListingJuly2009-existing.pdf


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