Ingeniería en Alta Tensión de Corriente Directa, HVDC

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Ingeniería en Alta Tensión de Corriente Directa,
HVDC (High Voltage Direct Current).
P. J. Pech1 , V. M. Cabrera1 , F.S. Sellschopp1

Resumen— Cuando se descubrió el dinamo y su capacidad de
generar energía eléctrica, se continuó con su estudio y se pudo
desarrollar la transmisión de energía eléctrica. Cuando se
inició la transmisión de la energía eléctrica esta era de
corriente directa, por lo que al principio este servicio era muy
limitado y solo podía alimentar determinadas cargas, en
determinadas zonas a baja tensión. A medida que se prosiguió
con las investigaciones se perfeccionaron las técnicas para el
uso de la corriente alterna que rápidamente desplazo a los
sistemas de CD y prácticamente quedó en el olvido. Fue hasta
mediados del siglo XX cuando se retomó el estudio de la CD y
en el año de 1954 se tuvo el primer enlace de corriente directa
en alta tensión, (HVDC por sus siglas en inglés) en Alemania.
Los avances que se han producido en la electrónica de potencia
de las últimas décadas, han permitido que los sistemas de
HVDC sean hoy una realidad. Actualmente en el mundo
existen proyectos que implementan sistemas HVDC.
Temas claves— Ingeniería de HVDC, Electrónica de Potencia,
Transmisión de energía eléctrica.
I. INTRODUCCIÓN
L
Os beneficios de la energía eléctrica suministrada a un
número de consumidores de un sistema de generación
común se dio a conocer poco después del desarrollo del
dínamo, conocido comúnmente como el generador. La primera
central pública se puso en servicio en 1882 en Holborn,
Londres. Tan pronto se descubrieron los beneficios que se
obtenían, empezaron a surgir varias centrales que
suministraban la energía eléctrica, en especial en los países
desarrollados. Los primeros sistemas producían corriente
directa en baja tensión, pero su servicio se limitaba a
determinadas áreas y se utilizaban principalmente para la
iluminación eléctrica. Por lo que las limitaciones de la
transmisión por corriente directa en baja tensión se hicieron
muy evidentes. En 1890 los avances en los estudios en el
desarrollo de la corriente alterna así como los avances en las
técnicas de fabricación de dispositivos como los generadores,
transformadores y motores de inducción, que son componentes
indispensables en la distribución y generación de la corriente
alterna, habían sido perfeccionados al punto que se desplazó
rápidamente el uso de la corriente directa, [1].
Desde que la transmisión de energía eléctrica por CD fue
1
Pablo Jesús Pech Chalé (jesus.pech.chale@hotmail.com), 1Dr. Víctor M.
Cabrera Morelos (victormcabreram@gmail.com), 1Dr. Francisco Sergio
Sellschopp Sánchez (sellschopp@hotmail.com), Instituto Tecnológico de la
Laguna, División de Estudios de Posgrado e Investigación, Blvd. Revolución
S/N, C.P 27000 Torreón Coahuila, México.
desplazada, no se había vuelto a investigar y a tratar de
perfeccionarse, por lo que la CA se convirtió en la principal
fuente de alimentación; conforme la tecnología avanzaba y el
conocimiento de las técnicas y dispositivos de CA iba en
aumento, de igual manera se descubrían desventajas. Entre los
inconvenientes que presenta la utilización de líneas de
transmisión en corriente alterna se encuentran los efectos
ambientales ya que los conductores generan campos
electromagnéticos, otros de los inconvenientes están
relacionados con las instalación de las torres necesarias para
transportar y sostener el cableado, además de las limitaciones
en la distancia máxima que puede haber entre torre y torre.
Gracias a todas estas limitaciones, diferentes empresas,
universidades y gobiernos, han desarrollado planes de
investigación, desarrollo e implementación de diferentes
métodos de transporte de energía, tal como el HVDC. Aunque
dicha tecnología fue estudiada, incluso antes que las líneas de
transmisión convencionales de corriente alterna, estas no
fueron implementadas debido a que la tecnología necesaria
para su aprovechamiento, en ese momento, no estaba lo
suficientemente desarrollada, por lo que los sistemas HVDC
eran más costosos que los de transmisión en CA, [2].
II. CARACTERÍSTICAS DE HVDC
Los avances que se han producido en la electrónica de
potencia en las últimas décadas, han permitido que los
sistemas de HVDC se encuentren en constante estudio para su
perfeccionamiento.
Los circuitos electrónicos de potencia tienen la función
principal de convertir la energía eléctrica de un tipo en otro
utilizando dispositivos electrónicos. Las aplicaciones de los
circuitos electrónicos de potencia abarcan desde los equipos
de conversión de alta potencia, como los sistemas de
transmisión de corriente continua, hasta dispositivos de uso
común. La electrónica de potencia incluye aplicaciones en las
que los circuitos procesan miliwatts o hasta megawatts. Las
aplicaciones típicas de la electrónica de potencia son, entre
otras, la conversión de corriente alterna en corriente continua y
viceversa, la conversión no regulada en una tensión continua
no regulada en una tensión continua regulada y la conversión
de una alimentación alterna de determinada amplitud y
frecuencia en otra amplitud y frecuencia distinta. El diseño de
los equipos de conversión de potencia precisa numerosas
disciplinas de la ingeniería eléctrica, entre ellas, el campo de
interés en la transmisión de energía eléctrica en HVDC, [3].
A. Comparación de un sistema de transmisión de CD con CA
Las principales diferencias que se pueden observar al
comparar ambos sistemas de transmisión son los siguientes:
 Economía de transmisión
 Consideraciones técnicas
 Rentabilidad
La economía de transmisión se refiere a la inversión y a los
costos de operación en un sistema de transmisión de energía
eléctrica; tanto la inversión y los costos incluyen las
instalaciones de las torres de transmisión, conductores,
aisladores y demás equipos, además de cuantificar las pérdidas
que se presentan en el sistema. Un ejemplo claro de inversión
es que en una línea de transmisión de HVCD puede soportar
más potencia con menos conductores, por ejemplo, un sistema
de transmisión de HVDC puede operar adecuadamente con
solo dos conductores, a diferencia de un sistema de
transmisión de HVCA donde se necesitaría tres conductores.
Esta característica del HVDC permite que las torres sean más
esbeltas y que tengan una menor resistencia mecánica. Así
mismo, las pérdidas en la transmisión de la energía eléctrica en
un sistema de DC disminuye hasta un 67%, esto se debe a que
los problemas que se presentan en una línea de CA como el
efecto piel y el efecto corona son insignificantes o inclusive
ausentes en DC, [4].
Las consideraciones técnicas se refieren más a los siguientes
tres puntos:
 Los parámetros capacitivos e inductivos que se presentan
en las líneas de transmisión de CA se encargan ya sea de
establecer los límites entre las distancia que puede existir
entre los enlaces de un sistema con otro y en la capacidad
que tiene la línea de transmitir la energía eléctrica de un
punto a otro. Estas limitaciones son particularmente
importantes si se desean emplear cables subterráneos o
submarinos, ya que los mismos cables son fuentes de
reactivos que a mayor longitud de cable los reactivos se
incrementan. Por el contrario, en la tecnología HVDC no
existen tales limitaciones ya que estos sistemas no se
encuentran afectados por la inductancia o capacitancia de
las líneas o cables, [5].
 Un sistema de transmisión HVDC permite la conexión
entre dos sistemas de distinta frecuencia (o fase) o entre
diferentes redes, las cuales pueden estar no sincronizadas
por distintos motivos. Esto es imposible de realizar
utilizando la transmisión clásica en corriente alterna,
debido a la inestabilidad que se puede presentar en los
sistemas de CA, a los niveles de cortocircuito muy
elevados o a los intercambios no deseados de flujos de
potencia entre sistemas, [5].
 Un sistema de HVDC tiene la ventaja de que puede
controlar de una manera rápida y segura la potencia
activa entregada en un sistema, algo que un sistema de
HVAC no podría realizar. Esto es posible gracias a los
dispositivos electrónicos con los que cuenta un sistema
de CD, [5].
Finalmente la rentabilidad que se presenta en un sistema de
CD es mayor comparada con un sistema de CA, esto se debe a
que los sistemas de CD emplean dispositivos de electrónica de
potencia y controladores, incrementando la capacidad de
control y protección del sistema de CD. Un ejemplo claro es el
uso de los Tiristores LTT, cuya función principal es la
eliminación de pulsos en alta tensión en transformadores y
sirve de igual manera en un suministro auxiliar para el
encendido de otros dispositivos que forman parte del sistema,
[4].
Estos tres factores son los que han llamado la atención a
empresas y universidades debido a la reducción de
dispositivos que se necesitarían para transmitir grandes
cantidades de energía eléctrica y por consecuencia el capital
invertido es mucho menor si lo comparamos con la inversión
en un sistema de CA. [2].
B. Configuración de un centro de transformación
Fig. 1 Esquema simplificado de una estación de conversión
Como la corriente alterna y la corriente continua son de
distinta naturaleza se requiere del uso de dispositivos que
permitan transformar de un tipo de corriente a otro; estos
dispositivos son conocidos como convertidores. Los
convertidores que permiten el paso de CA a CD son conocidos
como rectificadores y los que permiten el paso de CD a CA
son conocidos como inversores. Las instalaciones donde se
encuentran estos dispositivos se denominan centros de
conversión. A parte de los convertidores también se
encuentran otros elementos necesarios para un correcto
funcionamiento como los filtros y el transformador de
conversión. Los convertidores no pueden ser conectados
directamente entre las dos redes ya que su uso genera una gran
cantidad de armónicos, por esta razón se tienen que instalar
filtros en las redes de CA y DC. También se requiere de un
transformador para adecuar la tensión de red a los niveles
requeridos para el buen funcionamiento del convertidor y
proporcionar aislamiento galvánico entre la red y el
convertidor, [6].
III. TIPOS DE CONEXIONES EN HVDC
De forma análoga a los sistemas trifásicos de corriente
alterna, en corriente continua se pueden distinguir diferentes
tipos de conexiones entre dispositivos de una red. Estos
pueden ser a uno o dos hilos, [6].
A. Monopolar
La configuración monopolar ya sea con retorno por tierra o
con retorno metálico consiste en la utilización de un único
conductor para transmitir potencia entre una estación de
conversión a otra, realizando el retorno mediante los
electrodos de las subestaciones conectados a tierra. Este tipo
de conexión supone un ahorro en el cable conductor pero se
debe tener presente que no siempre es recomendable su uso,
especialmente cuando las pérdidas por la tierra son muy
grandes o no se puede instalar por razones medioambientales,
[6]. En estos casos se puede instalar un retorno metálico. A
continuación se presentan las dos variantes de las
configuraciones monopolares, [7].
operación la corriente de retorno sea cero, ya que al aplicar la
primera ley de Kirchhoff, las intensidades provenientes de la
línea con polaridad positiva y de la línea con polaridad
negativa se anulan. En el caso en que una línea tenga una falla
o tenga programada una operación de mantenimiento, la otra
línea puede operar como una línea monopolar con retorno por
tierra. A continuación se muestran las variantes de los sistemas
bipolares, [6].
Fig. 4 Configuración bipolar con retorno metálico
Fig. 2 Configuración monopolar con retorno por tierra
La configuración monopolar con retorno por tierra (Fig. 2)
utiliza únicamente un conductor para transmitir la energía
eléctrica. El retorno se realiza mediante electrodos conectados
a las estaciones de conversión que hacen las funciones de
ánodo y cátodo. Esta transmisión se emplea generalmente para
grandes distancias, en particular para largos cables
submarinos, donde el mar puede realizar las funciones de
retorno, ofreciendo menos pérdidas que un retorno metálico o
cuando no es posible utilizar una fase de conexión bipolar, [6].
Fig. 5 Configuración bipolar con retorno por tierra
C. Homopolar
Este tipo de enlace consiste en la operación de dos cables
conductores con la misma polaridad utilizando la tierra o un
conductor metálico como retorno. En este conductor habrá dos
veces la corriente nominal de una línea, [6].
Fig. 3 Configuración monopolar con retorno metálico
La configuración monopolar con retorno metálico en
algunos sistemas monopolares incluye un retorno metálico
cuando es imposible realizar el retorno mediante electrodos
conectados a tierra (normalmente por cuestiones medioambientales) o cuando las pérdidas son muy importantes; en
este tipo de casos es más adecuado utilizar un retorno
metálico, [6].
B. Bipolar
La conexión bipolar consiste en el uso de dos conductores,
uno trabajando con polaridad positiva y otro con polaridad
negativa transmitiendo la misma potencia simultáneamente. El
uso de esta conexión permite que en condiciones normales de
Fig. 6 Configuración Homopolar
IV. CONFIGURACIONES DEL SISTEMA ELÉCTRICO EN HVDC
De forma análoga a los sistemas de corriente alterna, en
HVDC existen unas estructuras de red básicas. Estas
configuraciones vienen fijadas por el uso y aplicaciones que
hasta hoy han tenido las redes en corriente continua.
A. Punto a Punto
La configuración punto a punto es la topología más utilizada
para conectar dos puntos lejanos mediante una línea de
corriente continua. Esta instalación consiste en dos estaciones
convertidoras conectadas mediante una línea de transmisión.
Debido a las aplicaciones de la tecnología, hasta hoy en día es
la configuración más empleada, [6].
B. Back-to-Back
La configuración Back-to-Back es la conexión utilizada para
conectar dos sistemas asíncronos (a distinta frecuencia). La
instalación consiste en la interconexión de dos convertidores
situados en la misma estación convertidora, uno para cada
sistema eléctrico. La interconexión se realiza mediante un
enlace en corriente continua, sin la necesidad de una línea de
transmisión, [6].
C. Multiterminal
La topología multiterminal consiste en la conexión de tres o
más conversores separados geográficamente. Este tipo de
configuración presenta las bases para crear el concepto de bus
de transmisión en corriente continua. Existen dos tipos de
conexiones multiterminales, una conocida en paralelo, que
consistente en la interconexión de los convertidores en
paralelo, así cada uno vería la misma tensión, la otra es donde
se conectarían los convertidores en serie. También pueden
existir conexiones hibridas combinado serie y paralelo, [6].
V. TECNOLOGÍA DE CONVERTIDORES
Los sistemas de HVDC se dividen principalmente en
tecnología HVDC Clásica o LCC y la tecnología VSC. [2]
A. HVDC Clásica o LCC
La tecnología de convertidores LCC (Line Commutated
Converter) se basa en el uso de la conmutación natural.
Originalmente se usaban interruptores o válvulas de mercurio
pero durante los años 70, la evolución y aumento de las
potencias y tensiones de los dispositivos semiconductores
permitió sustituir estas válvulas por tiristores. El empleo de
tiristores permite el control del momento del disparo del
tiristor pero no del apagado. Como consecuencia de esto, los
rectificadores LCC permiten controlar la potencia activa pero
no la reactiva, [6].
Para el rectificado en las estaciones de conversión
equipados con la tecnología LCC, suelen usarse dos
rectificadores de seis tiristores conectados a dos
transformadores cuyos devanados están desfasados 30º entre
sí, denominando a esta configuración rectificador de doce
pulsos. Esta configuración de 12 pulsos, se destaca por reducir
la distorsión armónica frente al rectificador convencional de
seis pulsos. También se requieren filtros en el lado de continua
como en el de alterna para minimizar el efecto de los
armónicos en la red. Al mismo tiempo, se requiere una fuente
de potencia reactiva en el lado de alterna para asegurar un
buen funcionamiento de la estación convertidora, [2].
B. VSC
La tecnología VSC (Voltage Source Converter) se basa en
el uso de dispositivos semiconductores de conmutación
forzada. Estos semiconductores (habitualmente IGBT) pueden
conmutar sin necesidad de la red, permitiendo el control
simultáneo e independiente de potencia activa y reactiva. Igual
que en la tecnología LCC, las estaciones equipadas con VSC
requieren filtros en el lado de continua como en el de alterna
para minimizar el efecto de los armónicos. A diferencia que la
tecnología anterior, la VSC no requiere ninguna fuente
reactiva ya que el propio convertidor es capaz de controlarla,
[6].
C. Comparativas entre las dos tecnologías, HVDC Clásica y
VSC-HVDC [2]
TABLA 1
COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LAS TECNOLOGÍAS EMPLEADAS
EN HVDC
Característica
HVDC Classic
VSC-HVDC
Rango de potencia, MW
06-07
1
Semiconductores
Tiristores-SCR
IGBT
Tipo de Cables
Mass Impregnated Paper
Polietileno reticulado
Oil/Paper
(XLPE)
Control de potencia
Sí
Sí
activa
Control de potencia
No
Sí
reactiva
Potencia inversa sin
No
Sí
interrupciones
Pérdidas Típicas
0.8%
1.6%
Los sistemas de HVDC son los más adecuados para fuentes
de energía como la eólica, debido a que este tipo de
generación generalmente se encuentran dentro del mar (Off
Shore) por lo que conductores que trabajan bajo el agua, como
es el caso de los de CD, facilitan el transporte de energía
eléctrica de los generadores hacía la planta o central para que
se pueda distribuir a los puntos de consumo.
VI. CONCLUSIONES.
El estudio de la transmisión de corriente directa en alta
tensión permite visualizar las ventajas que presenta ante los
sistemas tradicionales de transmisión de corriente alterna,
tanto en el volumen de potencia que se puede transmitir, como
en las cuestiones económicas por la instalación de los sistemas
de transmisión y conductores eléctricos. Mediante los estudios
se ha podido comprobar que empleando CD se disminuye el
capital invertido y el servicio es de mayor calidad. Todas estás
características se deben a que los sistemas de CD se operan y
se controlan por dispositivos de electrónica de potencia.
Además, otra característica favorable es que la corriente
directa no presenta pérdidas considerables por la acción del
campo magnético o la energía reactiva del conductor.
Implementar este tipo de servicio y adecuarla a la red no
presenta tantos inconvenientes, ya que los sistemas de CD
tienen dispositivos que son capaces de adaptarse a los de CA
mediante un control adecuado de los dispositivos electrónicos
de potencia. Una de las desventajas que presentan los sistemas
de alta potencia de CD es que la tecnología se puede
considerar reciente, es decir, tiene limitantes en el manejo de
las altas tensiones y corrientes. Otro factor muy importante es
que los dispositivos electrónicos que se emplean son muy
sensibles.
En la inversión, si se comparan todos los dispositivos que
emplea un sistema de transmisión de CA contra uno de CD, se
puede observar que la inversión es menor en CD. Actualmente
existen empresas que han estado trabajando en proyectos para
instalar sistemas de CD, así como en el diseño de conductores
especiales para este tipo de sistemas. Existen también distintos
proyectos en países como Alemania, China, Japón, Qatar,
Noruega, Sudáfrica, Canadá, Estados Unidos, Australia entre
otros, que están en la vanguardia en el uso de esta tecnología.
en CFE en el año 2011, trabajó como supervisor de obra en GABAR
Instalaciones en el año 2012. Actualmente estudia el Posgrado en Ciencias de
la Ingeniería Eléctrica en el Instituto Tecnológico de la Laguna. . Sus áreas de
interés son Protecciones en los sistemas eléctricos de potencia, Transitorios
electromagnéticos e Ingeniería de alta tensión.
Dr. Victor M. Cabrera Morelos Egresado de la
carrera de Ingeniería Industrial en Electricidad del
Instituto Tecnológico de Puebla en 1979. Obtuvo el
grado de M.C. en Ingeniería Eléctrica en 1981 en el
instituto tecnológico de la laguna. Estudio Teknisk
Licenciat, Electricidad con especialización en Descargas Atmosféricas en el
Instituto de Investigación en Alta Tensión, Universidad de Uppsala en 1989.
Uppsala, Suecia. Obtuvo el grado en la misma institución de Doctor en
Tecnología (PhD), Electricidad con estudios especializados en Descargas y
Transitorios en 1992. Uppsala, Suecia. Sus áreas actuales de investigación
son transitorios electromagnéticos, descargas atmosféricas, ingeniería alta
tensión y sistemas de redes de tierras.
VII. AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer al CONACYT por el apoyo económico
que me ha brindado para continuar con mis estudios,
proporcionandome en número de beca 91408 y al Instituto
Tecnológico de la Laguna que me ha abierto las puertas para
realizar el posgrado en la Institución.
VIII. REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Kuffel, W. S. Zaengl, J. Kuffel, High Voltage Engineering, 2nd Edition,
Ed Newnes, 2000, pp. 1
F. Rodriguez, ‘‘Comparativa convertidores HVDC-VSC’’, Grupo
Tecnología Electrónica, Universidad de Sevilla. Universidad de Sevilla.
D. W. Hart, Electrónica de Potencia, 1er Edición, Ed. Prentice Hall,
2001, pp. 1.
K.R. Padiyor, HVDC Power Transmission Systems Technology and
SystemsInteractions 1st Edition, Ed. New Age International, 1990, pp.
2-5
F. Elgueta, “Control de sistemas HVDC”, Grado de Ingeniero, Dept,
Ing. Eléctrica. Univ. Chile, 2008
Leonardo Energy, A. Egea y O. Gomis. Introducción a los Sistemas de
Alta Tensión en Corriente Continua. Presentado en el Centro de
Innovación Tecnológica en convertidores Estáticos y Accionamientos.
Disponible en: http://es.scribd.com/doc/17067596/HVDC-Sistemas-deAlta-Tension-en-Corriente-Continua.
Siemens (2011). High Voltage Direct Current Transmission. Siemens
AG,
Erlangen,
Germany,
[en
línea]
Disponible
en:
http://www.energy.siemens.com/us/en/power-transmission/hvdc/ E.
IX. BIOGRAFÍA
Ing. Pablo Jesús Pech Chalé Egresado del Instituto
Tecnológico de Mérida, obteniendo el título de
Ingeniero Eléctrico en el año 2012. Realizó su
residencia profesional en el Departamento de Líneas
Dr. F. S. Sellschopp Sánchez. Egresado de la
carrera de Ingeniería Eléctrica del Instituto
Tecnológico de Tepic en 1994. Obtuvo el grado de
M.C. en Ingeniería Eléctrica en 1999 en el Instituto
Tecnológico de La Laguna y el grado de Doctor en Ciencias en Ingeniería
Eléctrica en el mismo instituto en 2003. Sus áreas actuales de investigación
son máquinas y redes eléctricas, calidad de la energía, estimación paramétrica
y observadores.
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