Jornadas Técnincas, CL-2013

Jan G. Johansson, Power Systems – HVDC, Lima - Peru, 2015-04-23
Tecnología HVDC
Características y Beneficios – Parte 2
© ABB Group
May 22, 2015 | Slide 1
Configuraciones
© ABB
Month DD, YYYY | Slide 2
Qué es la Tecnología HVDC
Líneas HVDC – Configuraciones
± DC
± DC
~
~
Monopolo (asimétrico)
Retorno por tierra/mar ó metálico
0
0
+ DC/2
+ DC/2
Espalda-con-Espalda
(BtB)
+ DC/2
~
~
Monopolo simétrico
~
- DC/2
- DC/2
+ DC/2
+ DC/2
~
~
- DC/2
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Bipolo
~
~
- DC/2
- DC/2
+ DC/2
~
- DC/2
HVDC en BtB (Back-to-Back)
Líneas CA
Barra CA
1500 MW
Costo de estaciones convertidoras
Barra CA
++
Costo de líneas de transmisión
-
Pérdidas
-
Disponibilidad
-
+ Aspecto ventajoso de esta transmisión
- Aspecto adverso
HVDC en BtB (Back-to-Back)
Líneas CA
Barra CA
750 MW
Barra CA
Barra CA
750 MW
Barra CA
Costo de estaciones convertidoras
+
Costo de líneas de transmisión
-
Pérdidas
-
Disponibilidad
0
+ Aspecto ventajoso de esta transmisión
- Aspecto adverso
HVDC en Monopolo
1500 MW
Costo de estaciones convertidoras
+
Costo de líneas de transmisión
+
Pérdidas
+
Disponibilidad
-
+ Aspecto ventajoso de esta transmisión
- Aspecto adverso
HVDC en Bipolo
1500 MW
Costo de estaciones convertidoras
0
Costo de líneas de transmisión
+
Perdidas
+
Disponibilidad
+
+ Aspecto ventajoso de esta transmisión
- Aspecto adverso
HVDC Multi-terminal
1500 MW
P MW
1500 MW
Costo de estaciones convertidoras
-
Costo de líneas de transmisión
+
Perdidas
+
Disponibilidad
+
+ Aspecto ventajoso de esta transmisión
- Aspecto adverso
Flexibilidad con Multi-terminal
Fase 1
1500 MW
P MW
1500 MW
Fase 2
Fase 1
1500 MW
P/2 MW
Fase 2
1500 MW
Flexibilidad - Alternativa
Encuentro
Sistema CC
Sistema CA
Expansion en etapas del sistema CA
Cardones
Tecnologías de HVDC
© ABB
Month DD, YYYY | Slide 11
Diferentes tipos de convertidores HVDC
Conmutación natural;
HVDC Clásico; convertidores de corriente (CSC)
Conmutación forzada;
HVDC Light; convertidores de voltaje (VSC)
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Diferentes tipos de convertidores HVDC
Conmutación natural;
HVDC Clásico; convertidores de corriente (CSC)
Conmutación forzada;
HVDC Light; convertidores de voltaje (VSC)
© ABB Group
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HVDC Clásico (CSC)
Conversora de seis pulsos – válvulas no controladas
Id
V1
R
X=0
~
V3
V5
X=0
~
S
~
~
V4
V6
Ud
T
V2
S
~
V4
V5
V6
Ud
T
V2
Voltajes de fase
T
R
wt
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V3
S
~
Voltajes de fase
R
V1
R
Id
S
T
wt
HVDC Clásico
Conmutación natural - Voltaje directa, XK=0, a=0
URT
-60
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-30
0
30
UST
60
90
USR
120
150
Udi0=3V2*Uh/
180
210
240
t
HVDC Clásico
Conmutación natural - Voltaje directa, XK=0
URT
UST
USR
Ud=3V2*Uh*cos a/
(Ud=Udi0*cos a
P =
Ud1 X (Ud1- Ud2)
R
Ud1
Ud2
Rd
Id
Pd1
100
101
99
99
1
1
1
2
100 99
202 198
1
1
-99 -100
-99 -100
-60
-30
0
a
30
60
90
120
150
180
210
240
(Ud=Udi0 x cosa - (dx+dr) x Id x Udi0N/IdN)
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Pd2
t
HVDC Clásico
Relación entre el ángulo de disparo y el defasaje
i a1
(a)
ia
a  0
Ea
ea
I a1
wt
Ea
(b)

a  30 a
I a1
Id
Ea
(c)
a  60

a
I a1
Ea
(d)
a  90

a
I a1
Ea
(e)
a 120
a

Ea
(f) a 150
a
I a1

I a1
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Observar:
La convertidora de conmutación natural
siempre consume potencia reactiva
Diferentes tipos de convertidores HVDC
Conmutación natural;
HVDC Clásico; convertidores de corriente (CSC)
Conmutación forzada;
HVDC Light; convertidores de voltaje (VSC)
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HVDC Light – Una dimensión más
HVDC
HVDC Light
SVC
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HVDC Light
Conmutación forzada – Voltaje
Udc1
Udc2
Usw
+Udc1
+Udc2
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HVDC Light
Conmutación forzada y modulación de ancho de pulsos
© ABB Group
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HVDC Light
Diferentes típos de modulación
Voltaje de salida
Circuito
Dos niveles
Multi-niveles
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HVDC Light: Potencia Activa y Reactiva
Comparación con HVDC Clásica
HVDC Clásica:
HVDC Light:
~ compensación reactiva con filtros y bancos
en paralelo maniobrados
No requiere compensación reactiva; STATCOM con
un rango dinámico ~ 0.5Pd/+0.5Pd Mvar
bajo un factor de potencia de 90%.
P (p.u.)
1.25
Q
0,5
1
Suministro de bancos
de capacitores y
filtros
0.75
Rectifier
operation
Qabs
(p.u.)
0,13
0.5
0.25
0.75 0.5 0.25 0
1,0 Id
Desbalace con
la red
Inverter
operation
0.25
0.5
0.75
- 0,5
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Consumo de la conversora
1
1.25
Qgen
(p.u.)
0.25 0.5 0.75 Operación individual posible en
qualquier punto dentro de la curva
(respetando que PR~PI ), i.e. QR y QI
pueden ser despachadas totalmente
distintas
(Diagrama válida en operación BtB)
Tecnologías HVDC básicas - Conversoras
HVDC Clásico/CCC (Conmutación natural)
HVDCHVDC-CSC
 Nivel de corto-citcuito mínimo: SMVA > 2 x Pd
(>1.3 x Pd con CCC)
Converter
Transformers
AC Filters
AC
 Nivel mínimo de potencia: 5-10%
DC Filters
DC
 Demanda potencia reactiva en los terminales
 Potencias mas altas, escalas de economía
Outdoor
Indoor
Thyristor Valves
HVDC Light (Conmutación forzada)
HVDCHVDC-VSC
 No requiere nivel mínimo de corto-circuito
 No requiere nivel mínimo de potencia
DC
AC
 No demanda potencia reactiva
Outdoor
 Control independiente de la potencia activa y
reactiva
Indoor
 Soporte dínámico de voltaje: Q ~= ± 0.5 x Pdnom
IGBT Valves
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Ventajas con HVDC
Ventajas particulares con HVDC
 Control de flujo de potencia bi-direccional
 Inversion más baja para transmisiones de larga distancia
 Interconexión asíncrona
 Transmisión mejorada en circuitos CA paralelos
 Más de 3 veces la potencia en el mismo derecho-de-vía
Ventajas particulares de HVDC Light
 Control independiente de potencia activa y reactiva
 Mejor operación en red existente
 Interfaz simplificado con red CA de conexión
 Conexión de cargas pasivas
 Proceso de permisos simplificado por uso de cables
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HVDC Light con cable
Minas (y otras cargas grandes) remotas
Apoyo voltaje
Corrientes de corto-circuito limitadas
Arranque directo de motores
Transmisión fiable
Uso de carretera
Apoyo voltaje
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Cables para HVDC
© ABB
Month DD, YYYY | Slide 27
Technologías para cables HVDC
HVDC Light

Aislamiento polimérico

Bajo peso; Cable subterráneo ~10 kg/m

Bajo número de empalmes para
instalaciones subterráneas
HVDC Clásica

Empalmes pre-fabricados (1 día/ empalme)

Bobinados, permite instalación desde
barcazas, que son bien disponíibles

Producción flexible, cables AC y DC en la
misma línea de fabricación
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
Aislamiento con papel impregnado por
aceite

Alto peso; Cable subterraneo ~25 kg/m

Alto número de empalmes para
instalaciones subterráneas

Empalmes “hechos a medida” (5 días/
empalme)

Require barco especial para la instalación,
pocos barcos

Línea de fabricación dedicada para cables
DC
Cable HVDC Light de Murraylink (220 MW)
Voltaje nominal: 150 kV DC
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Conductor:
1200/1400 mm2 Aluminio
Aislamiento:
12 mm polietileno extruído
Pantalla:
Hilos de cobre, 30 mm2
Funda:
HDPE
Peso:
7.0/7.8 kg/m
Diámetro:
80.2/83.7 mm
Cable HVDC Light de Cross Sound (330 MW)
Voltaje nominal:
150 kV DC
Conductor:
1300 mm2 Cobre
Aislamiento:
12 mm polietileno extruído
Pantalla metálica: 2.6 mm plomo laminado
Chaqueta interior: PE
Armado:
5 mm, alambre de acero
Cubierta exterior: Yute impregnado, 2mm
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Peso:
30.4 kg/m
Diámetro:
98 mm
Cable HVDC Light de DolWin 1 (800 MW)
Voltaje nominal:
320 kV DC
Conductor:
1300 mm2 Cobre
Aislamiento:
18 mm polietileno extruído
Pantalla metálica: 2.5 mm plomo laminado
Chaqueta interior: PE
Armado:
2x5 mm, alambre de acero
Cubierta exterior: Yute impregnado
© ABB Group
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Peso:
44 kg/m
Diámetro:
124 mm
Cables HVDC
Diseño térmico
Potencia de transmisión:
Corriente contínua y temporaría
Parámetros de instalación:
Profundidad
Espaciamiento
Temperatura ambiental
Propiedades del suelo
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Diseño
térmico
Tamaño del
conductor
Cables HVDC:
Capabilidades y limitaciones prácticas

Temperatura máxima:
70°C (Cable polimérico)
50°C (Cable MI)

Area máxima del conductor
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May 22, 2015 | Slide 33

Al: (por lo menos) hasta 2300 mm2

Cu: (por lo menos) hasta 2500 mm2
Cables HVDC Light
Para HVDC Light ABB ha desarollado cables triple-extruidos de bajo
peso y con empalmes prefabricados, que:

Son probados, secos, confiables y rápidos de montar

No require búnker de hormigón, sino solamente una
cubierta de arena

Permite juntar cables con diferentes areas del conductor
2001
Murraylink, 360 km
± 150 kV, 220 MW
2000
Directlink, 354 km
± 80 kV, 60 MW
1997
Hellsjön
± 10 kV, 3 MW
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2004
Estlink, 210 km
± 150 kV, 350 MW
2009
± 320 kV, 1200 MW
2014
± 525 kV, 1800 MW
Cables de ABB para HVDC
Poliméricos o con papel impregnado en aceite (MI)
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HVDC Light versus HVDC Clásica
Rangos comparativos
Ucd en kV
1100
1000
HVDC Light
con líneas aéreas
500
HVDC Clásica
con líneas aéreas
HVDC Light con
cables poliméricos
HVDC Clásica o
Light con cables MI
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Potencia en MW
© ABB Group
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7000
8000
9000
10000
Equipo
© ABB
Month DD, YYYY | Slide 37
HVDC Clásico
Estación convertidora monopolar
Línea aérea o
cable
Reactor de
alisamiento
Conversora
Barra de CA
Filtro CD
Capacitores
shunt o otro Filtros CA
dispositivo
reactivo
Telecomunicación
Válvulas de tiristores
Sistema
de
control
© ABB Group
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~~
Válvulas de tiristores
Sala de válvulas, 500 kV HVDC
Características típicas de una válvula cuádruple de tiristores:

Altura: Ca 20 m

Peso: Ca 20 toneladas
Transformador convertidor
1 fase, 3 devanados (345 KV CA, 353 MVA, 60 Hz)
© ABB Group
Slide 40
PowDoc id

Peso de transporte: Ca 250 toneladas

Peso instalado: Ca 350 toneladas
Elección del transformador
Número de unidades por polo y
puente de 12 pulsos:
1
(+1 de reserva)
2
(+(1+1) de reserva)
3
(+1 de reserva)
6
(+(1+1) de reserva)
Peso de transporte
350
Toneladas
300
250
200
150
100
50
0
100
© ABB Group
Slide 41
PowDoc id
150
200
250
300
MVA
350
400
450
HVDC Light
Interior
Idc
Línea aerea
o cable
Reactor
de fase
Barra de CA
±Udc
Válvulas IGBT
Filtros CA
Capacitor CD
Sistema
de
Control
Reactores de fase
© ABB Group
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Capacitores CD secos
Algunas referencias de HVDC Clásico
© ABB
Month DD, YYYY | Slide 43
Itaipú, Brasil
•
•
•
•
•
•
Potencia: 2x3150 MW
Voltaje CD: + 600 kV
Transmisión: 785 + 805 km
Dos bipolos con líneas aéreas
Puesta en servicio: 1984-87
Transmisión a larga distancia
(+ redes asíncronas)
© ABB Group
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Rio Madeira, Brasil
•
•
•
•
•
•
Potencia: 3150 (+ 2x400) MW
Voltaje CD: + 600 kV
Transmisión: 2500 km
Bipolo con línea aérea (+ dos BtBs)
Puesta en servicio: 2012
Transmisión a larga distancia
(+ redes asíncronas)
© ABB Group
May 22, 2015 | Slide 45
Three Gorges – Guangdong, China
•
•
•
•
•
•
Potencia: 3000 MW
Voltaje CD: + 500 kV
Transmisión: 940 km
Bipolo con línea aérea
Puesta en servicio: 2004
Transmisión masiva de
potencia, Estabilidad
© ABB Group
May 22, 2015 | Slide 46
Xiangjiaba – Shanghai, China
•
•
•
•
•
•
© ABB Group
Slide 47
PowDoc id
Potencia: 6400 MW
Voltaje CD: + 800 kV
Transmisión: 2070 km
Bipolo con línea aérea
Puesta en servicio: 2010
Transmisión masiva de potencia.
Estabilidad
JinPing-SunNan, China
• Potencia: 7200 MW
(+400 MW de sobrecarga)
• Voltaje CD: + 800 kV
• Transmisión: 2090 km
• Bipolo con líneas aéreas
• Puesta en servicio: 2013
• Transmisión de potencia en masa
+800 kV
DC
filter
DC
filter
-800 kV
© ABB Group
Slide 48
PowDoc id
Fennoskan, Suecia-Finlandia
• Potencia: 500 + 800 MW
• Voltaje CD: 400 y 500 kV
• Transmisión: 200 km (cable submarino)
+ 33 y 70 km (líneas aéreas)
• Bipolo
• Puesta en servicio: 1989 y 2011
• Distancia con cable submarino
© ABB Group
Interconexión Argentina-Brazil I & II (Garabí)
•
•
•
•
•
Potencia: 2x1100 MW
Voltaje CD: ±70 kV
“Back-to-Back” con CCC
Puesta en servicio: 2000/2002
Interconexión asíncrona
(500 kV, 50 Hz/525 kV, 60 Hz)
Sharyland/Railroad DC Tie, USA
•
•
•
•
•
Potencia: 2x150 MW
Voltaje CD: ±24 kV
”Back-to-Back”
Puesta en servicio: 2007 y 2014
Interconexión asíncrona
(con arranque negro !)
Algunas referencias de HVDC Light
© ABB
Month DD, YYYY | Slide 52
Murraylink HVDC Light, Australia
• Potencia: 200 MW
• Voltaje CD: +150 kV
• Transmisión: 180 km
(dos cables subterráneos)
• Puesta en servicio: 2002
• Transmisión mercantil
© ABB Group
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Cross Sound Cable, EE.UU.
• Potencia: 330 MW
• Voltaje CD: ± 150 kV
• Transmisíon: 42 km
(dos cables submarinos)
• Puesta en servicio: 2002/2003
• Transmisión mercantil
BorWin1 HVDC Light, Alemania
• Potencia: 400 MW
• Voltaje CD: ±150 kV
• Transmisión: 203 km
• 2 x 75 km cables subterraneos
• 2 x 128 km cables submarinos
• Puesta en servicio: 2009
• Conexión de un parque eólico.
22 m
© ABB Group
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DolWin 2 HVDC Light, Alemania
• Potencia: 900 MW
• Voltaje CD: ±320 kV
• Transmisión: 165 km
• 2 x 90 km cables subterraneos
• 2 x 45 km cables submarinos
• Puesta en servicio: 2015
• Conexión de parques eólicos
© ABB Group
Slide 56
PowDoc id
Caprivi Link, Namibia
•
•
•
•
•
Potencia: 300 MW (Primera fase)
Voltaje CD: -350 kV (Primera fase)
Transmisión: 970 km de líneas aereas
Puesta en servicio: 2010
Longitud de líneas, Interconexión de
redes débiles
Gerus
400
kV AC
Converter
station

AC
HVDC
-
Line 970 km
350 kV DC
Zambezi
Converter
station 330 kV AC
AC
Filter
Filter
Electrode
Lines
50 km

AC
Filter
+
350 kV DC
AC
Filter
HVDC Light: Skagerrak 4, Noruega - Dinamarca
• Potencia: 700 MW
• Voltaje CD: +/0 500 kV (monopolo)
• Transmisión: 140 km
• 2 x 104 km cables subterraneos
• 2 x 140 km cables submarinos
• Puesta en servicio: 2014
• Longitud de cables, redes asíncronas,
caracteristicas de HVDC Light
© ABB Group
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PowDoc id
Mackinac, EE.UU
•
•
•
•
•
Potencia: 200 MW/100 MVar
Voltaje CD: +71 kV
”Back-to-Back”
Puesta en servicio: 2014
Estabilidad de la tensión,
control de flujo de potencia,
operación en isla
© ABB Group
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© ABB Group
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