Sistemas de transmisión de corriente continua en alta tensión

VII JORNADAS TÉCNICAS DE
TRANSMISIÓN
SISTEMAS DE
TRANSMISIÓN DE
CORRIENTE CONTINUA
EN ALTA TENSIÓN - HVDC
23 de Agosto de
2016
Convenio de Investigación
2


ISAGEN y UniAndes establecieron un
convenio de cooperación para el estudio de
conexión de fuentes de energía eólica a
sistemas de potencia.
Estudio de tecnologías:
 Parques
 BESS
 HVDC
Eólicos
Equipo de Investigación
3

UniAndes

ISAGEN
 DIEE
 Investigación
 Prof.
Desarrollo
 Ing. Luis Alberto
Posada
 Ing. Hernán Palacios
Mario A. Ríos
(Director Proyecto de
Investigación)
 Prof. Gustavo Ramos
 Ing. Diego Gómez
 Ing. María Paula
González
 Ing. Andrés Vera
y
Contenido
4

Estado del Arte HVDC
 Componentes
básicos y tecnologías
 Topologías y configuraciones
 Ventajas y desventajas




Metodología de Selección de Voltaje DC
Conversión HVAC a HVDC
Algunos Proyectos de HVDC en UniAndes
Conclusiones
5
Fuente: http://www.lntecc.com/homepage/PTD/gallery.html
Estado del Arte
Tecnología HVDC Clásico (LCC)
6
Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf. HVDC Development
Topics
Tecnología madura y, por tanto, la más usada en la actualidad.
Convertidores de potencia de 6 o 12 pulsos compuestos por válvulas de tiristores.
Voltajes hasta ±800 kV.
Requiere compensación Q.
Mínima capacidad de corto en el POI >= 2 capacidad nominal del conversor.
Tecnología HVDC - VSC
7
Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf. HVDC Development
Topics
Tecnología aún en desarrollo de mayores niveles de tensión y capacidad.
Convertidores de potencia de válvulas IGBT auto conmutadas.
Voltajes hasta ±450 kV (según proyectos implementados).
No requiere compensación Q.
No requiere una mínima capacidad de corto en el POI.
TECNOLOGÍA HVDC-LCC
Tecnología basada en Tiristores.
TECNOLOGÍA HVDC-VSC
Tecnología basada en Transistores de
potencia IGBT.
Encendido del semiconductor por acción
de control.
Encendido y apagado del semiconductor
Apagado del semiconductor depende del por acción de control.
voltaje de la red.
Convertidores de potencia de 6 y 12 Convertidores de potencia multinivel
pulsos.
y multiterminal.
Control basado en ángulo de Estrategias de control PWM o
encendido.
vectorial.
Alta capacidad de potencia.
Menor capacidad de potencia.
Alguna capacidad de sobrecarga.
Genera distorsión amónica.
Requiere grandes filtros
Pérdidas 0,8 - 0,9% por estación
conversora.
Requiere compensación reactiva del 30 60% de la capacidad total.
Las estaciones conversoras necesitan
amplias áreas por los filtros y la
compensación reactiva.
Menor costo de inversión.
Tecnología madura.
Sin capacidad de sobrecarga.
Bajo contenido armónico.
Requiere algunos filtros pequeños
Pérdidas 1,1 - 1,4% por estación
conversora.
Puede consumir e inyectar potencia
reactiva como un STATCOM.
Reducción de un 40 - 50% del área
requerida por una estación LCC.
Costo de equipos elevado.
Tecnología menos madura.
8
Potencia Reactiva
9

HVDC – Clásico
(LCC)

Requiere soporte de Q

SVC – STATCOM – FC

HVDC – VSC
 Controla
Q
Fuente: http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=112
Fuente: ABB, “HVDC Light”, 2012
Topologías de conexión
10

Conexión
Monopolar
 Cuenta
con un solo
conductor para la
transmisión de
potencia.
 Retorno metálico o
por tierra.
Fuente: http://www.energy.siemens.com/nl/en/powertransmission/hvdc/applications-benefits/configurations/long-distance-powertransmission.htm#content=Monopolar%20LongDistance%20DC%20Transmission
Topologías de conexión
11

Conexión Bipolar
 Conformada
por dos
sistemas
monopolares.
 Cuenta con un polo
positivo y uno
negativo.
 Proporciona mayor
confiabilidad.
 Retorno metálico o
por tierra
Fuente: http://www.energy.siemens.com/nl/en/powertransmission/hvdc/applications-benefits/configurations/long-distance-powertransmission.htm#content=Monopolar%20LongDistance%20DC%20Transmission
Otras Configuraciones
12

Conexión Back-toBack
 Acople
de sistemas
AC asíncronos
cercanos.
 No requiere líneas de
transmisión.
 Conexión puede ser
monopolar o bipolar
Otras Configuraciones
13

Multiterminal
 Conexión
de 3 o más
estaciones
conversoras.
 Requiere estaciones
de tecnología VSC.
 En investigación y
desarrollo
 Desarrollo de
Interruptores DC en
AT
Fuente: Siemens, “The Smart
Way”, 2011
Ejemplos de HVDC LCC
14

HVDC Classic (2014)
 EstLink
2 HVDC,
transmisión entre
Finlandia y Estonia
 670 MW, monopolar
 Voltaje ± 400 kV
 Cable submarino 171
km
Fuente: http://www.energy.siemens.com/br/en/powertransmission/hvdc/references.htm# , Siemens HVDC references.

HVDC Classic (2013)
 Rio
Madeira, “the
longest transmission
link in the world”
 3150 MW, bipolar
 Voltaje ± 600 kV
 Línea aérea 2375 km
Fuente: http://new.abb.com/systems/hvdc/references/rio-madeira ,
ABB HVDC Classic (LCC) reference projects.
Ejemplos de HVDC VSC
15

Ej. Alternativa
considerada
 Suecia
– Southlink
 250
km
 Alt. 1: 400 kV AC
 Alt. 2: HVDC-VSC
±300 kV (500 – 700
MW)
Fuente:
http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf.
HVDC Development Topics
Ejemplos de HVDC VSC
16

HVDC PLUS (2010)
 Trans
Bay Cable
Link, San Francisco,
USA
 400 MW
 ± 170 MVAr Soporte
de Potencia Reactiva
 Voltaje ± 200 kV
 Cable submarino 53
mi
Fuente: Siemens, “The Smart Way”, 2011

HVDC Light (2006)
 Estonia
 350
MW
 Voltaje ± 150 kV
 Cable submarino 2 x
105 km
Fuente:
http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf.
HVDC Development Topics
Ejemplos
17
Nombre del
Proyecto
Estación 1
Caprivi Link
Namibia - Gerus
HVDC Inter Island 3
Terranora
interconnector
(Directlink)
New Zealand Benmore
Australia Mullumbimby
África
Distancia
total [km]
Estación 2
Namibia 950
Zambezi
Australia y Oceanía
New Zealand 611
Haywards
Australia Bungalora
59
Voltaje
[kV]
Potencia
[MW]
Año
Tecnología
350
300
2010
VSC
350
735
2013
LCC
80
180
2000
VSC
Asia
Xiangjiaba China - Fulong
Shanghai
Three Gorges China - Jingzhou
Guangdong
China - Fengxia
1980
800
6400
2010
LCC
China - Huizhou
940
500
3000
2004
LCC
±200
500
2012
VSC
250
400
2011
LCC
450
2250
1991
LCC
600
7100
2013
LCC
Europa
East West
Interconnector
Ireland Woodland
Cometa
Spain - Morvedre
Quebec - New
England
Transmission
Canada Radisson
UK - Shotton,
130
Wales
Spain - Santa
247
Ponsa
Norte América
Canada - Nicolet;
USA - Ayer
1105
Sur América
Rio Madeira
Brazil, Porto
Velho
Brazil, Araraquara
2375
Ventajas del HVDC
18

Mayor capacidad de transmisión de potencia.
 Independientemente
de la distancia.
 A través de cables submarinos o subterráneos.




Rápido control del flujo de potencia a través
de la línea.
Acople/desacople de grandes sistemas
síncronos o asíncronos.
Menores pérdidas técnicas.
Menor impacto ambiental y visual.
Servidumbres
19
Fuente: www.energy.siemens.com
Servidumbres
20
Fuente: http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/hamerly1/
R. Hamerly, “Direct Current Transmission Lines”, 2010
Servidumbres
21
Nótese:
No se debe comparar
servidumbres de 500 kV DC con
servidumbres de 500 kV AC.
Se debe comparar con la
servidumbre del nivel DC
requerido para transportar la
misma potencia.
Fuente:
http://www.edn.com/Home/PrintView?contentItemId=4404
090
S. Taranovikch “Has Thomas Edison ultimately won the
DC vs AC power transmission controversy against
Tesla?”, 2013
Servidumbres
22

Rangos de
Servidumbres
utilizados en Estados
Unidos
Voltaje
kVDC
< 230
230
345
Fuente. J. Molburg, J. Kavicky y K. Picel, The Design, Construction
and Operation of Long-Distance High-Voltage Electricity Transmission
Technologies, Chicago: Argonne National Laboratory, 2007.
500
Rango de la
Servidumbre
m
< 15
15 - 38
> 38
< 23
23 - 38
> 38
< 23
23 - 38
> 38
< 38
38 - 53
> 53
Cant.
Reportada
51
41
7
40
36
30
6
36
30
4
21
13
23
1
2
3
5
Metodología de Selección de Voltaje DC
4
Selección de nivel de Voltaje
HVDC
24
1
2
3
4
5
Nodo 1
220
500
Alternativas nivel de tensión [kV]
Nodo 2
Nodo 3
Nodo 4
110
110
34,5
115
115
138
138
161
161
220
220
230
230
345
345
400
400
Factores de conversión
Vdc - 5
297
310,5
372,6
434,7
594
621
931,5
1.080
AC/DC
2,7
Haz
2
Polos
2
Circuitos
1
Límite Vdc LCC [kV]
1.100
Límite Vdc VSC [kV]
640
Límite Idc LCC [A]
4.000
Límite Idc VSC [A]
2.000
Dirk Van Hertem, Mehrdad Ghandhari, «Multi-terminal VSC HVDC for the European supergrid:
Obstacles,» Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 14, Issue 9, December 2010,
pp. 3156-3163.
Metodología de Selección
25
1. Costo de la línea:
Parámetros:
2. Costo de pérdidas:
3. Costo de estación:
4. Costo estructuras
y servidumbre:
Ces = Cest + Cserv
J. A. Jardini y J. F. Nolasco, «Impacts of HVDC Lines on the Economics of HVDC
Projects,» CIGRÉ, Brazil, 2008.
Metodología de Selección
26

Modelo de optimización:
CTotal = Cline V, S + VPN(CLj V, S, P , i) ∙ L + Css V, P + Ces
y
CTotal
D1 P
B +F
= A1 + B1 ∙ V + C1 ∙ S +
∙
L
+
E
P
∙
V
1
1
S ∙ V2
Restricción:
Parámetros de entrada:
P
≤S∙V
ρ ∙ #Haz ∙ Polos
V: Nivel de tensión (kV)
S: Calibre del conductor (kcmil)
L: Longitud de la línea (km)
P: Potencia de transmisión (MW)
J. A. Jardini y J. F. Nolasco, «Impacts of HVDC Lines on the Economics of HVDC
Projects,» CIGRÉ, Brazil, 2008.
Análisis de Sensibilidad
27
Análisis de Sensibilidad (Cambio
niveles de tensión opcionales)
28
¿Qué dicen los fabricantes?
29
Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf
HVDC Development Topics
30
Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de transmisión integrado con la conversión de líneas de
HVAC a HVDC,» Tesis de Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015
Conversión HVAC a HVDC
Conversión HVAC a HVDC
31
Fuente: http://www.slideshare.net/priteshpriyadarshi7/hvdc-facts
Conversión HVAC a HVDC
32
④
③
①
②
Ref.
[15]
TOPOLOGÍA DE
CIRCUITO
VOLTAJE
LÍMITE
TÉRMICO
CAPACIDAD
AUMENTO
CAPACIDAD
DERECHO DE
VÍA
①
2 circuitos
220 kV
0.8 kA
610 MVA
---
38 metros
②
3 bipolos
±350 kV
0.8 kA
1680 MW
2.75
29.5 metros
③
2 bipolos
±300 kV
0.8 kA
1440 MW
2.36
26 metros
④
2 bipolos
±300 kV
0.8 kA y 1.6
kA
960 MW
1.57
30 metros
Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de
transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de
Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr.
Mario Alberto Ríos)
Conversión HVAC a HVDC
33


Tipo A: Intervención simple con modificaciones
menores en la estructura que pueden ser
realizadas haciendo cambios admisibles en la
altura de los conductores con respecto a tierra
durante el proceso de conversión.
Tipo B: Intervención mayor de las estructuras que
no permite que todos los conductores puedan ser
ubicados a una distancia adecuada con respecto
a tierra durante la conversión.
Conversión HVAC a HVDC
34

Conversión de doble
circuito a un bipolo
con modificación de
estructura
Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de
transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de
Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr.
Mario Alberto Ríos)
Conversión HVAC a HVDC
35

Conversión de
circuito sencillo a
monopolo con
modificación de
estructura
Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de
transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de
Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr.
Mario Alberto Ríos)
Conversión HVAC a HVDC
36

Conversión de doble
circuito a tres bipolos
sin modificación de
estructura
 Escoger
apropiadamente el
nivel de tensión DC
 Distancias de
seguridad y
Aisladores
Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de
transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de
Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr.
Mario Alberto Ríos)
Conversión HVAC a HVDC
37

Conversión de doble
circuito a esquema
híbrido con un
bipolo
Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de
transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de
Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr.
Mario Alberto Ríos)
Conversión HVAC a HVDC
38
Fuente: J. P. Novoa, «Metodología para el planeamiento del sistema de
transmisión integrado con la conversión de líneas de HVAC a HVDC,» Tesis de
Maestría Ing. Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, 2015 (Asesor: Dr.
Mario Alberto Ríos)
39
Algunos Proyectos de
HVDC en UniAndes
Proyectos de investigación
relacionados con HVDC en Uniandes
40
Transient Stability studies of offshore wind farms connected as a supergrid
with VSC-HVD
Camilo A. Ordóñez M.
Mario A. Ríos M.
Cigré International Symposium – Bologna, 2011
HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of view
Gloria M. Martínez
Mario A. Ríos M.
Cigré International Symposium – Bologna, 2011
Transient Stability studies of offshore wind farms
connected as a Supergrid with VSC-HVDC
41
Caso A
Caso B
Caso C
C. A. Ordóñez y M. A. Ríos Mesías, «Transient stability studies of Offshore Wind Farms connected as a
super grid with VSC-HVDC,» Cigré Symposium, Bologna, 2011.
Análisis de Perturbación (Falla)
42
Potencia activa (MW) Vs. Tiempo (s) para generadores 1, 3 y 5, ante falla en el parque 1.
Gen 5 no oscila
Potencia activa de generadores (MW)
No oscila ningún generador
Potencia activa de generadores (MW)
1200
750
1000
Gen1
Gen3
Gen5
1100
Gen1
Gen3
Gen5
900
Gen1
Gen3
Gen5
700
1000
600
800
Potencia activa (MW)
Potencia activa (MW)
650
800
900
700
600
700
550
600
500
500
450
500
400
400
300
200
400
300
0
1
2
3
Tiempo(s)
4
5
6
200
350
300
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
Tiempo(s)
Caso A
Caso B
Caso C
C. A. Ordóñez y M. A. Ríos Mesías, «Transient stability studies of Offshore Wind Farms connected as a
super grid with VSC-HVDC,» Cigré Symposium, Bologna, 2011.
Transient Stability studies of offshore wind farms
connected as a supergrid with VSC-HVDC
43
Conclusiones




Enlaces HVDC garantizan una mayor estabilidad
transitoria en los sistemas de potencia.
Disminuyen las oscilaciones electromecánicas entre dos
o más áreas.
Disminuyen la dependencia de estabilidad entre áreas.
Disminuyen (eliminan) los modos inter-área.
C. A. Ordóñez y M. A. Ríos Mesías, «Transient stability studies of Offshore Wind Farms connected as a
super grid with VSC-HVDC,» Cigré Symposium, Bologna, 2011.
HVAC weak links replacement with
HVDC links: A stability point of view
44
Sistema de potencia NETS y NYPS
G. M. Martínez y M. A. Ríos Mesías, «HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of
view,» Cigré Symposium, Bologna, 2011.
HVAC weak links replacement with
HVDC links: A stability point of view
45
Interconexión híbrida entre NETS y NYPS
G. M. Martínez y M. A. Ríos Mesías, «HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of
view,» Cigré Symposium, Bologna, 2011.
HVAC weak links replacement with
HVDC links: A stability point of view
46
Reemplazo del enlace AC por HVDC entre
NETS y NYPS
G. M. Martínez y M. A. Ríos Mesías, «HVAC weak links replacement with HVDC links: A stability point of
view,» Cigré Symposium, Bologna, 2011.
Comparación de Resultados de Estabilidad
Transitoria
42
8.15
PG13 HVAC
PG9 HVAC
PG9 Hybrid
PG13 Hybrid
40
PG13 HVDC
PG9 HVDC
Potencia G13
Potencia G9
8.1
38
8.05
36
8
34
7.95
32
7.9
30
7.85
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
1.028
28
0
2
4
6
8
10
12
14
16
V9 HVAC
1.027
20
V15 HVAC
V9 Hybrid
V15 Hybrid
1.0004
V9 HVDC
1.026
Voltaje N15
Voltaje N9
18
1.0006
V15 HVDC
1.0002
1.025
1
1.024
1.023
0.9998
1.022
0.9996
1.021
0.9994
1.02
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0.9992
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
47
HVAC weak links replacement with
HVDC links: A stability point of view
48
Conclusiones

La interconexión HVDC elimina los modos inter-área.





Evita la propagación de oscilaciones electromecánicas entre
áreas.
Presenta tiempos de respuesta menores.
Permite incrementar la distancia entre estaciones y la potencia
transmitida.
La interconexión hibrida no elimina por completo los
modos inter-área.
La interconexión HVDC no resuelve todos los
problemas de estabilidad en el sistema de potencia.
Conclusiones
49


HVDC-VSC es la tecnología de mayor proyección de
utilización
 Redes Multiterminales  en desarrollo
 Capacidades y niveles de tensión similares al HVDC
Clásico  en desarrollo
El nivel de tensión de un enlace HVDC debe
seleccionarse en función de la potencia a transmitir y la
longitud.
 Ej: 300 kV, para P< 1450 MW para Long. = 250 km
Conclusiones
50

Las servidumbres para HVDC < para HVAC para el
mismo nivel de tensión.
 La servidumbre del nivel DC requerido para
transportar la misma potencia en AC es mucho
menor.

La conversión de líneas HVAC en HVDC es una
alternativa a considerar en el planeamiento de los
sistemas de transmisión.