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Tecnologías utiliz adas en HVDC Diego NARVAEZ, Jayro JORDAN, Carlos NAULA, Fabián JORDAN Unidad Académica de Ingeniería de Sistemas, Eléctrica y Electrónica, Universidad Católica de Cuenca Cuenca, Ecuador [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]

Abstract- The HVDC technology although it was known since 1954, their use is recent. All technologies have both their advantages and disadvantages, this is no exception. Currently LCC, VSC and CSC, each with different characteristics, but all are important in the controllability of HVDC systems.

Resumen— La tecnología HDVC aunque fue conocida desde 1954, su utilización es reciente. Todas las tecnologías tienen tanto sus ventajas como sus desventajas, ésta no es la excepción. Actualmente LCC, VSC y CSC, cada una de ellas con diferentes características pero inflluyen en la capacidad de control de sistemas HDVC.

Palabras clave: Tecnología HDVC, LCC, CSC

Es así que al implementar esta tecnología como lo son los sistemas HVDC, estos presentan mejores características técnicas, económicas y medioambientales que los HVAC.

I. INTRODUCCIÓN Durante años la transmisión de alta de tensión se ha realizado por medio de líneas de transmisión en corriente alterna (HVAC). Uno de los principales motivos por los que se imponía la utilización de dicha tecnología frente a la transmisión en corriente continua, fue debido a que estaban más desarrolladas las técnicas de fabricación de transformadores y motores de inducción, componentes indispensables en la distribución y generación de energía.

II. TEXTO 2.1. ANTECECEDENTES Los orígenes de esta tecnología datan desde el año 1954, hasta que el año 2000 la tecnología de los enlaces HVDC utilizaba exclusivamente convertidores conmutados por red (LCC-line conmutated converters) con tiristores. A partir de esta fecha el desarrollo de los dispositivos electrónicos de conmutación de alta potencia (IGBT, GTO, etc.) permitió el nacimiento de una nueva tecnología, el HVDC con convertidores autoconmutados (VSC Voltage source converters).

Pero la utilización de esta tecnología tenía inconvenientes como 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 y las limitaciones en la distancia máxima que puede haber entre torre y torre. Gracias a todas estas limitaciones 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 (corriente alterna), no fueron implementadas, debido a que la tecnología necesaria para su aprovechamiento, en el momento, no estaba lo suficientemente desarrollada, por lo que los sistemas HVDC eran más costosos que los de transmisión en alterna.

Actualmente son LCC, VSC y CSC, cada una con unas características distintas tanto en su control como en sus componentes y su modo de operación. La alta capacidad de control sobre las variables de los sistemas eléctricos que otorgan los sistemas HVDC hace sea muy extendida su instalación en los sistemas de transporte que requieren condiciones especiales.

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corriente en una válvula y un aumento en la siguiente, es llamado conmutación.

2.2. TECNOLOGIA LCC Esta topología es la más antigua, está basada en tiristores ya que hasta hace pocos años eran los únicos dispositivos capaces de proporcionar grandes potencias en la tecnología HVDC.





DE

VOLTAJES Y CORRIENTES

DE 

El funcionamiento de esta topología está determinada de la siguiente manera: 

FLUJO

Debido al proceso de conmutación entre las distintas válvulas, una corriente no sinusoidal es tomada desde el lado AC por el rectificador y es entregada al sistema AC por el inversor. Ambas corrientes se encuentran en retraso con respecto a sus voltajes

Cuando la potencia fluye desde el lado AC hacia el grupo de válvulas la configuración es llamada rectificadora. Si la potencia fluye desde el grupo de válvulas en el lado DC al sistema AC la configuración es llamada inversora. Este tipo de convertidores requieren una fuente de voltaje trifásica equilibrada tanto a la entrada del lado rectificador como a la salida del lado inversor para funcionar

PRINCIPIO FUNCIONAMIENTO

DEL

Invertir el flujo de potencia en este tipo de sistemas no es posible invirtiendo la dirección de la corriente, ya que las válvulas solo permiten la conducción en una sola dirección. El flujo de potencia solo puede ser invertido en este tipo de conversoras variando la polaridad del voltaje continuo en las estaciones conversoras. Esta operación de las conversora tanto para rectificar como invertir se realiza por medio del control de los impulsos de disparo en los tiristores de las estaciones conversoras.

Los tiristores tienen la particularidad de que únicamente se puede seleccionar el momento de disparo o conexión durante la polarización directa, pero no es posible seleccionar el corte, que no va a llegar hasta que este dispositivo sea polarizado negativamente

2.2.1.

INVERSOR POTENCIA

RECTIFICADORES

COMPENSACION DE POTENCIA REACTIVA

Al existir el ángulo de retraso y el ángulo de conmutación la corriente en cada fase siempre retrasa al voltaje. Es por esto que en el proceso de rectificación siempre va a existir un consumo de reactivos, el cual va a tener que ser proporcionado con dispositivos especiales en el lado AC (filtros AC, bancos de condensadores, etc) o absorbiendo reactivos del sistema AC.

El rectificador es la unidad conversora básica en la transmisión HVDC y es usada tanto como rectificador cuando la potencia llega desde el lado AC hacia al lado DC, como inversor cuando la potencia llega desde el lado DC al lado AC. Las válvulas de tiristores actúan como interruptores que se encienden y dejan pasar corriente cuando les llega un impulso o señal de disparo por la puerta de control. Una válvula conducirá corriente en una dirección siempre que reciba una señal de encendido y que la diferencia de voltaje entre el ánodo y el cátodo sea positiva, de la misma forma la válvula dejará de conducir únicamente cuando la polarización sea negativa. Es decir, las válvulas actúan como interruptores, las cuales son encendidas a voluntad con el objeto de entregar el voltaje continuo deseado.

Por lo general, los filtros AC proporcionan el 60% del consumo de potencia reactiva, siendo el resto aportado por diferentes medios: Banco de condensadores de derivación. Condensadores sincrónicos Compensadores estáticos de reactivos (CER o SVC) Bancos de reactores de derivación. Máquinas sincrónicas.

El proceso en que la corriente pasa desde una válvula a otra, existiendo por lo tanto una disminución de la

2

2.2.2. o

Permite configuraciones monopolares

o

Tiene una eficiencia a plena carga mayor a 98,3%

o

El campo eléctrico estático experimentado debajo de las líneas hasta la franja de servidumbre no presenta efecto biológicos negativos.

o

El efecto corona de las líneas de transmisión producen una pequeña contribución de ozono, la cual es del mismo orden de magnitud que el generado por procesos naturales.

2.2.3.

DESVENTAJAS TECNOLOGIA LCC o

2.2.4. 

corriente a la frecuencia óptima. Esta configuración es conocida como bact-to-back.

VENTAJAS DE LA TECNOLOGIA LCC

DE



En grandes sistemas eléctricos, el flujo puede verse inestable bajo ciertas condiciones transitorias, para facilitar el control de estas situaciones se instalan enlaces en corriente continua que permiten un rápido control de la potencia

2.3. TECNOLOGIAS EN HVDC 

Permite controlar únicamente la potencia activa siendo la reactiva una función de la activa transmitida Necesitan grandes filtros debido al alto consumo de potencia reactiva de los convertidores

o

Necesita comunicación entre las dos estaciones de conversión a ambos lados del enlace.

o

Alto costo de los equipos de conversión.

APLICACIONES TECNOLOGIA LCC

DE

LA

El sistema tiene una excelente escalabilidad y el diseño general puede ser flexible. Por lo tanto, la estación de convertidor se puede adaptar perfectamente a las necesidades locales.



En funcionamiento normal, no más de un nivel por brazo convertidor es conmutado en un tiempo dado. Como resultado, las tensiones de ca pueden ser ajustadas en incrementos muy finos y el voltaje de cd se puede lograr con muy poco rizado, lo que minimiza el nivel de armónicos generados y en la mayoría de los casos elimina completamente la necesidad de filtros de corriente alterna. Es más, los pequeños pasos de tensión que se producen, causan muy poca radiación o interferencias de alta frecuencia.



La baja frecuencia de conmutación de los semiconductores individuales produce muy pocas pérdidas de conmutación y la eficiencia es por consiguiente mayor en comparación con las actuales soluciones de dos y tres niveles.



Los componentes han demostrado su confiabilidad y el rendimiento bajo severas condiciones ambientales y operativas en otras aplicaciones, como las unidades de tracción.



El voltaje manejado y las cargas de corriente permiten el uso de transformadores de corriente alterna estándar.



El rango de potencia alcanzable, así como la tensión de cd alcanzable del convertidor se determina esencialmente sólo por el desempeño de los controles, es decir, el

Líneas de transporte de potencia a largas distancias

A partir de una cierta distancia, situada entre 400 y 700km, las pérdidas por corrientes parásitas y el coste de una línea de corriente alterna superan a los de una línea de corriente continua, por eso se utilizan instalaciones HVDC.  Transmisión de potencia en entornos marinos o subterráneos En corriente alterna las pérdidas de las líneas subterráneas o marinas son considerables debido a la capacitancia de los conductores. Para eliminar este tipo de pérdidas se utilizan sistemas que trabajen en corriente continua.  Conexión de sistemas eléctricos asíncronos En distintas zonas del mundo las redes eléctricas colindantes trabajan a distinta frecuencia, para poder unirlas se utilizan estaciones convertidoras, que mediante convertidores modulan la tensión y la

3

TECNOLOGÍA MODULAR MULTILEVEL CONVERTER (MMC)



LA

o

Estabilización del sistema eléctrico

número de módulos de potencia que pueden ser operados. Con el diseño común, se pueden alcanzar tasas de transmisión de 1000 MW y superiores. 

aplicaciones, tracción. 

Debido a la eliminación de componentes adicionales tales como filtros de ca e interruptores, se puede lograr alta confiabilidad y disponibilidad.

La tecnología CSC está basada en el funcionamiento de los convertidores como fuentes de corriente. Esto también ocurría en la topología LCC donde se usaban tiristores, pero los sistemas CSC utilizan semiconductores en los que se pueden controlar su conducción y bloqueo, a diferencia de los tiristores en los que se puede controlar su conducción pero se bloquean de forma natural.

III. CONCLUSIONES 

Mediante la investigación teórica realizada, se logra conocer las tecnologías con HVDC que hoy en día se utilizan, teniendo en cuenta que a pesar de su conocimiento hace tiempo atrás, su aplicación es reciente.



La tecnología LCC, es la más antigua y se basa en tiristores y hasta hace poco eran los únicos dispositivos que proporcionaban grandes potencias a la tecnología HDVC.



La tecnología LCC tiene tanto ventajas como desventajas, entre las ventajas están el uso de configuraciones monopolares, eficiencia a plena carga mayor a 98,3%. El campo eléctrico estático experimentado no presenta efecto biológicos negativos. Pero solo se puede controlar la potencia activa, se requieren grandes filtros y los equipos tienen un alto costo.



La tecnología LCC se usa en líneas de transporte de potencia a largas distancias, en entornos marinos o subterráneos, para conectar sistemas eléctricos asíncronos, estabilización del sistema eléctrico.



La tecnología en HDVC, usa un sistema de diseño flexible y excelente escalabilidad, pudiendo adaptarse a diferentes locales. Los componentes del sistema han demostrado su confiabilidad y el rendimiento bajo severas condiciones ambientales y operativas en otras

las

unidades

de

La tecnología CSC está basada en el funcionamiento de los convertidores como fuentes de corriente.

IV. REFERENCIAS

2.4. TECNOLOGIA CSC 

como

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

http://revistas.upb.edu.co/index.php/investi gacionesaplicadas/article/view/1849 (2013).



http://www.cerien.upc.edu/jornades/jiie200 5/ponencies/transporte%20de%20energia% 20electrica%20en%20cc.pdf (2006)



http://www04.abb.com/global/seitp/seitp20 2.nsf/0/56a27c94b60d6374c12574c6004e9 268/$file/HVDC++efficiency+and+reliability_040908.pdf



http://elecgas.elecgas.cl/elecgas/wpcontent/uploads/2013/05/3-GabrielOlgu%C3%ADn.pdf