HVDC: principios, tecnologías y aplicaciones

Gabriel Olguin, Ph.D.
Senior Executive Consultant SKM
CIGRE SC B4 representative (CL)
[email protected]
HVDC: principios, tecnologías y aplicaciones
Objetivo y alcance
• Objetivo:
• Proveer una introducción a la tecnología de transmisión
HVDC ilustrando los dos principios básicos de conversión
comercialmente disponibles: HVDC LCC y HVDC VSC.
• Alcance:
• Se presentan las principales partes constituyentes de un
proyecto típico HVDC LCCS y se discuten proyectos de
referencia
• Se presentan potenciales aplicaciones en Chile destacando
ventajas y desventajas y se discute la potencial aplicación
de HVDC en la interconexión SIC-SING.
Operating Model 8 Apr 2010
Agenda
 La guerra de las corrientes AC versus DC
 Principios de transmisión de potencia en HVAC
 Introducción a la transmisión HVDC
– Conversión AC/DC/AC LCC y VSC
 Partes de una estación HVDC LCC
– Arreglo típico, patio HVAC, sala de válvulas,
transformador convertidor, filtros AC
 Potenciales aplicaciones en Chile
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Un poco de historia …DC versus AC
Para una entretenida descripción de la guerra AC versus DC ver “AC/DC: The Savage Tale of the First
Operating
Model 8 Apr 2010
Standards
War” by Tom McNichol
Principios de transmisión de potencia en HVAC
 El objetivo del sistema de transmisión es transmitir potencia eléctrica
bajo condiciones reglamentadas de calidad (V~1pu) usando líneas aéreas o
cables aislados soterrados o submarinos HVAC
 El sistema de potencia HVAC requiere compensar la potencia reactiva y
dado que la carga varía, la compensación de reactivos debe variar
 Convencionalmente el control de potencia reactiva se efectúa con
dispositivos electromecánicos: MSC & MSR

El voltaje máximo y mínimo constituyen límites al transporte de potencia
 El margen de estabilidad angular MEP y otros fenómenos dinámicos
también constituyen un límite al transporte de potencia por una línea HVAC
 La temperatura máxima de diseño o de operación del conductor también
constituye un límite al transporte de potencia
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Principios de transmisión de potencia en HVAC
 El desempeño eléctrico de una línea HVAC depende del sistema al
que está conectado y de los parámetros de la propia línea XL, YC, R
 La potencia natural de la línea SIL es un indicador una base para
expresar la capacidad de transporte de la línea HVAC, la capacidad real
depende la longitud de la línea.
V2
SIL=
[W]; sólo depende del V y Zc
Zc
Zc =

z
L
; para una línea ideal, Z c =
;
y
C
Para líneas aéreas HVAC Zc: 200 y 400 Ω
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Valores típicos en líneas aéreas 220kV y 500kV
Voltaje nominal
220kV
500kV
R (Ω/km)
0,050
0,028
X (Ω/km)
0,407
0,271
B (uS/km)
2,810
4,333
380
250
127/160/200/240
X/800/1000/1250
0,136
1,08
Zc (Ω)
SIL (MW) (1,2,3,4
conductores/fase)
Q en MVAr/km
Frecuencia 50 Hz; R, X y B por fase; SIL y potencia reactiva Q trifásica
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HVAC: curva de capacidad de trasporte
Límite de transporte en pu del SIL
Los aspectos que limitan el transporte en HVAC pueden ser
visualizados en las curvas de “cargabilidad”
térmico
4.0
Reg. V
3.0
Estabilidad
2.0
1.0
80 100
250
Longitud en kms
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500
Fundamentos de la transmisión HVDC

HVDC es una opción tecnológica para transmitir potencia eléctrica.

Usa electrónica de potencia y control digital en convertidores CA/CC/CA.

Existen dos tecnologías: LCC que usa tiristores y VSC que usa IGBT.

La capacidad de transporte no depende de la longitud del enlace
Sistema
AC 1
LCC/VSC
convertidor
AC<=>CC
Vdc1
Vdc2
Eventual LT AC
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LCC/VSC
Convertidor
CC<=>AC
Sistema
AC 2
Fundamentos de la conversión AC/CC LCC
2 x convertidores 6 pulsos
Voltaje AC
Υ/Y
A
B
C
/
Voltaje CC
A’
B’
C’
Filtros
AC
Dada la potencia involucrada, los transformadores suelen ser monofásicos de dos o tres enrollados
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Fundamentos de conversión AC-CC LCC
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Convertidoras HVDC LCC
Cerca del 60% del
espacio de la
convertidora es
utilizado por
equipamiento HVAC, en
particular filtros AC y
compensación de
potencia reactiva
Filtros AC y Comp.
Reactiva polo 1
Filtros AC y Comp.
Reactiva polo 2
Sala de válvulas
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Costos de desarrollo HVDC versus HVAC
Solución HVAC
Inversión +
perdidas
Solución HVDC
Estaciones
conversoras
Estaciones HVAC
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Distancia critica
Distancia transmisión
Proyectos de referencia: Sistema Itaipú
Itaipu Transmission System, 2 x 7500 MW = 15000 MW
HVAC 800kV
HVAC 7500 MW
800 kV
34m
60 Hz
60 Hz
HVDC 7500 MW
HVDC ±600kV
±600kV
34m
±600kV
50 Hz
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60 Hz
HVDC: Líneas aéreas
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Fundamentos de la conversión VSC
Modelo por fase
+Vdc/2
Dos niveles
Idc
S1
+Vdc/2
S1- on
S2-off
Iac
S1- off
S2-on
S2
-Vdc/2
Vac
-Vdc/2
Obs.: El voltaje Vac puede ser +Vdc/2 o –Vdc independiente de Idc
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VSC trifásico: convertidores de 2 y 3 niveles
va
va , b , c
t

va , b , c
0
va
t

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Fundamentos del convertidor multinivel
+ pole
vac1
v ac
vd 1
vd 1
t
vac1
vac2
vd 2
vd 2
Necesita
el pole (-)
t
vac2
t
v ac
vac3
vd 3
vd 3
t
vac3
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Convertidor modular multinivel, MMC
+ Pole
SM
va c
SM
SM
Iac
Phase
reactors
SM
t
SM
SM
- Pole
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Convertidores HVDC: LCC y VSC
LCC
VSC
 Arreglo de válvulas de tiristores con
capacidad de soportar voltaje en ambas
polaridades
 Arreglo de módulos de válvulas tipo
transistores (IGBT) con capacidad de
conducir corriente en ambos sentidos
 La polaridad del voltaje del
convertidor puede ser invertida (para
invertir el flujo de potencia en el enlace
HVDC)
 La corriente puede invertirse (para
cambiar la dirección del flujo de potencia
en el enlace HVDC)
 La dirección de flujo de la corriente no
cambia
 El semiconductor puede ser
encendido por acción de control
 El bloqueo del semiconductor
depende del voltaje de línea o red
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 La polaridad del voltaje en el enlace DC
no cambia
 El semiconductor puede ser
desbloqueado y bloqueado por control
 El bloqueo del semiconductor no
depende de la red
Convertidores HVDC: LCC y VSC
LCC HVDC
VSC HVDC
 Alta capacidad de potencia
 Menores ratings (2013)
 Alguna capacidad de sobrecarga
 Sin capacidad de sobrecarga
 Requiere un sistema AC fuerte
 Opera en sistemas débiles
 Partida autónoma compleja y
depende de equipo adicional
 Partida autónoma factible
 Genera distorsión armónica,
requiere filtros AC y CC
 Requiere compensación de
reactivos por hasta 60% de la potencia
 Requiere una gran extensión de
terreno dominada por los filtros AC y
compensación de reactivos
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 Bajo contenido armónico,
eventualmente no requiere filtros
 Puede proveer potencia reactiva
(STATCOM)
 Menor espacio: entre 50 – 60% del
terreno para una estación LCC
Convertidores HVDC: LCC y VSC
LCC HVDC
VSC HVDC
 Componente CC de voltaje
requiere de transformador
convertidor
 Transformadores más
convencionales debido al bajo
contenido de componente CC
 Pérdidas de potencia bajas 0.8%
 Pérdidas de potencia mayores
 Costo menor
 Costo de inversión mayor
 Confiabilidad probada
 Confiabilidad por probar
 Tecnología madura
 Tecnología menos madura
 Dirección de la potencia es
invertida por polaridad del voltaje
 Dirección de la potencia
controlada por dirección de la
corriente
 Requiere el uso de cables MI
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 Ideal para uso con cables XLPE
HVDC: Madeira
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•
Potencia: 2x3150MW & 2x400MW
(back-to-back)
•
Voltaje AC: 500 kV
•
Back-to-back: 500 kV and 230 kV
•
Voltaje DC: ± 600 kV
•
Longitud de las líneas: 2,500 km
•
Razón para selección HVDC LCC:
transmisión de larga distancia
Western interconector
Interconexión
submarina entre
Escocia e Inglaterra.
HVDC LCC, 420km,
2200MW, +/-600kV.
Entrara en operación
a fines del 2015
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Visión de la State Grid Corporation of China
Ref.: CIGRE 2012 Paris
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HVDC en Chile
• La CNE escogió HVDC como
la tecnología más apropiada
para la interconexión SIC-SING
• 1500 MW @+/-500kV
• Dos proyectos, ambos en el
extremo sur de Chile han
estudiado y seleccionado la
tecnología HVDC para
transportar grandes bloques de
potencia al SIC.
– HidroAysén: 2750MW
– Energía Austral: 1000MW
• Otras :
– Chile-Perú (60Hz)
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Interconexión SIC-SING
 Resoluciones Exentas CNE N° 20 y 29, de fecha 11 y 17 de enero
de 2013, “Plan de Expansión del Sistema de Transmisión Troncal
Período 2012-2013”
 Obra Nueva “Interconexión Troncal HVDC SIC-SING”, mediante
una línea de transmisión bipolar de 610 km HVDC 1.500 MW en
±500kV, entre la S/E Cardones y la S/E Nueva Encuentro, y la
construcción de estaciones conversoras HVAC/HVDC en cada uno de
los extremos.
 El 31 de enero empresas del sector presentan discrepancias al
Panel de Expertos: tecnología, puntos de interconexión y pertinencia
de la obra de interconexión en un plan de expansión troncal
 El Panel resuelve que CNE no tiene atribuciones para indicar
interconexión entre sistemas independientes
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Proyecto de Ley
 El proyecto de ley propone modificar el articulado de la Ley
General de Servicios Eléctricos con objeto de:

Incluir expresamente las interconexiones y permitir indicarlas como
nuevas obras de transmisión troncal dentro del Estudio de Transmisión
Troncal (ETT);
 Facultar a la Comisión Nacional de Energía para incorporar en su
informe técnico a las interconexiones que hayan sido recomendadas por
dicho estudio;
 Permitir la inclusión de interconexiones dentro del Plan de Expansión
Anual, y ordenar a las direcciones de peajes de los Centros de Despacho
Económico de Carga que, conjuntamente, lleven a cabo la licitación y
adjudicación de las líneas de interconexión contempladas en el decreto de
expansión anual de la transmisión troncal.
 El proyecto de Ley fue aprobado en la camara de diputados el martes
17 de diciembre de 2013
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Reflexiones finales
 El transporte por las líneas de transmisión HVAC queda limitado
por uno de los siguientes criterios: térmico, regulación de tensión y
estabilidad.
 La creciente demanda de energía eléctrica y limitada posibilidad de
expandir el sistema de transmisión hace necesario incorporar
tecnologías más eficientes y efectivas de modo de transmitir más
potencia por limitados corredores existentes
 La transmisión HVDC permite incrementar la transferencia por
corredores existentes. Existen dos tecnologías: VSC y LCC
 La Interconexión SIC-SING podría ser el primer proyecto HVDC en
Chile, siempre y cuando la guerra de las corrientes AC versus DC
termine por definir HVDC como la tecnología ganadora
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