Post on 18-Mar-2020
SISTEMAS DE
TRANSMISIÓN DE
CORRIENTE CONTINUA
EN ALTA TENSIÓN - HVDC
23 de Agosto de
2016
VII JORNADAS TÉCNICAS DE
TRANSMISIÓN
Convenio de Investigación
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 Eólicos
BESS
HVDC
2
Equipo de Investigación
UniAndes
DIEE
Prof. Mario A. Ríos (Director Proyecto de Investigación)
Prof. Gustavo Ramos
Ing. Diego Gómez
Ing. María Paula González
Ing. Andrés Vera
ISAGEN
Investigación y Desarrollo
Ing. Luis Alberto Posada
Ing. Hernán Palacios
3
Contenido
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
4
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 - VSC7
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.
8
TECNOLOGÍA HVDC-LCC TECNOLOGÍA HVDC-VSC
Tecnología basada en Tiristores.Tecnología basada en Transistores de
potencia IGBT.
Encendido del semiconductor por acción
de control. Encendido y apagado del semiconductor
por acción de control.Apagado del semiconductor depende del
voltaje de la red.
Convertidores de potencia de 6 y 12
pulsos.
Convertidores de potencia multinivel
y multiterminal.
Control basado en ángulo de
encendido.
Estrategias de control PWM o
vectorial.
Alta capacidad de potencia. Menor capacidad de potencia.Alguna capacidad de sobrecarga. Sin capacidad de sobrecarga.
Genera distorsión amónica. Bajo contenido armónico.
Requiere grandes filtros Requiere algunos filtros pequeños
Pérdidas 0,8 - 0,9% por estación
conversora.
Pérdidas 1,1 - 1,4% por estación
conversora.
Requiere compensación reactiva del 30 -
60% de la capacidad total.
Puede consumir e inyectar potencia
reactiva como un STATCOM.
Las estaciones conversoras necesitan
amplias áreas por los filtros y la
compensación reactiva.
Reducción de un 40 - 50% del área
requerida por una estación LCC.
Menor costo de inversión. Costo de equipos elevado.
Tecnología madura. Tecnología menos madura.
Potencia Reactiva
HVDC – Clásico
(LCC) Requiere soporte de Q
SVC – STATCOM – FC
9
HVDC – VSC
Controla Q
Fuente: ABB, “HVDC Light”, 2012
Fuente: http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=112
Topologías de conexión
Conexión
Monopolar
Cuenta con un solo
conductor para la
transmisión de
potencia.
Retorno metálico o
por tierra.
10
Fuente: http://www.energy.siemens.com/nl/en/power-
transmission/hvdc/applications-benefits/configurations/long-distance-power-
transmission.htm#content=Monopolar%20Long-
Distance%20DC%20Transmission
Topologías de conexión
Conexión Bipolar
Conformada por dos sistemas monopolares.
Cuenta con un polo positivo y uno negativo.
Proporciona mayor confiabilidad.
Retorno metálico o por tierra
11
Fuente: http://www.energy.siemens.com/nl/en/power-
transmission/hvdc/applications-benefits/configurations/long-distance-power-
transmission.htm#content=Monopolar%20Long-
Distance%20DC%20Transmission
Otras Configuraciones
Conexión Back-to-
Back
Acople de sistemas
AC asíncronos
cercanos.
No requiere líneas de
transmisión.
Conexión puede ser
monopolar o bipolar
12
Otras Configuraciones
Multiterminal
Conexión de 3 o más estaciones conversoras.
Requiere estaciones de tecnología VSC.
En investigación y desarrollo
Desarrollo de Interruptores DC en AT
13
Fuente: Siemens, “The Smart
Way”, 2011
Ejemplos de HVDC LCC
HVDC Classic (2014)
EstLink 2 HVDC,
transmisión entre
Finlandia y Estonia
670 MW, monopolar
Voltaje ± 400 kV
Cable submarino 171
km
HVDC Classic (2013)
Rio Madeira, “the
longest transmission
link in the world”
3150 MW, bipolar
Voltaje ± 600 kV
Línea aérea 2375 km
14
Fuente: http://www.energy.siemens.com/br/en/power-
transmission/hvdc/references.htm# , Siemens HVDC references.
Fuente: http://new.abb.com/systems/hvdc/references/rio-madeira ,
ABB HVDC Classic (LCC) reference projects.
Ejemplos de HVDC VSC
Ej. Alternativa
considerada
Suecia – Southlink
250 km
Alt. 1: 400 kV AC
Alt. 2: HVDC-VSC
±300 kV (500 – 700
MW)
15
Fuente:
http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf.
HVDC Development Topics
Ejemplos de HVDC VSC
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
HVDC Light (2006)
Estonia
350 MW
Voltaje ± 150 kV
Cable submarino 2 x
105 km
16
Fuente: Siemens, “The Smart Way”, 2011 Fuente:
http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf.
HVDC Development Topics
Ejemplos17
África
Nombre del
ProyectoEstación 1 Estación 2
Distancia
total [km]
Voltaje
[kV]
Potencia
[MW]Año Tecnología
Caprivi Link Namibia - GerusNamibia -
Zambezi950 350 300 2010 VSC
Australia y Oceanía
HVDC Inter -
Island 3
New Zealand -
Benmore
New Zealand -
Haywards611 350 735 2013 LCC
Terranora
interconnector
(Directlink)
Australia -
Mullumbimby
Australia -
Bungalora59 80 180 2000 VSC
Asia
Xiangjiaba -
ShanghaiChina - Fulong China - Fengxia 1980 800 6400 2010 LCC
Three Gorges -
GuangdongChina - Jingzhou China - Huizhou 940 500 3000 2004 LCC
Europa
East West
Interconnector
Ireland -
Woodland
UK - Shotton,
Wales130 ±200 500 2012 VSC
Cometa Spain - MorvedreSpain - Santa
Ponsa247 250 400 2011 LCC
Norte América
Quebec - New
England
Transmission
Canada -
Radisson
Canada - Nicolet;
USA - Ayer1105 450 2250 1991 LCC
Sur América
Rio MadeiraBrazil, Porto
VelhoBrazil, Araraquara 2375 600 7100 2013 LCC
Ventajas del HVDC
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.
18
Servidumbres20
Fuente: http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/hamerly1/
R. Hamerly, “Direct Current Transmission Lines”, 2010
Servidumbres21
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
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.
Servidumbres
Rangos de
Servidumbres
utilizados en Estados
Unidos
VoltajeRango de la
Servidumbre
Cant.
Reportada
kVDC m
< 230
< 15 51
15 - 38 41
> 38 7
230
< 23 40
23 - 38 36
> 38 30
345
< 23 6
23 - 38 36
> 38 30
500
< 38 4
38 - 53 21
> 53 13
22
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.
Selección de nivel de Voltaje
HVDC24
Alternativas nivel de tensión [kV]
Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 Vdc - 5
220 110 110 34,5 297
500 115 115 310,5
138 138 372,6
161 161 434,7
220 220 594
230 230 621
345 345 931,5
400 400 1.080
42 31
5
Factores de conversión
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 Selección25
Parámetros:1. Costo de la línea:
2. Costo de pérdidas:
3. Costo de estación:
J. A. Jardini y J. F. Nolasco, «Impacts of HVDC Lines on the Economics of HVDC
Projects,» CIGRÉ, Brazil, 2008.
Ces = Cest + Cserv4. Costo estructuras
y servidumbre:
Metodología de Selección
Modelo de optimización:
26
Restricción:
CTotal = Cline V, S + VPN(CLjyV, S, P , i) ∙ L + Css V, P + Ces
CTotal = A1 + B1 ∙ V + C1 ∙ S +D1 P
S ∙ V2∙ L + E1 P ∙ VB + F1
P
ρ ∙ #Haz ∙ Polos≤ S ∙ V
Parámetros de entrada:
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.
¿Qué dicen los fabricantes?29
Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf
HVDC Development Topics
Conversión HVAC a HVDC
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 HVDC32
Ref.
[15]TOPOLOGÍA DE
CIRCUITOVOLTAJE
LÍMITE
TÉRMICOCAPACIDAD
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
① ② ③ ④
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 HVDC33
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
Conversión de doble
circuito a un bipolo
con modificación de
estructura
34
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
Conversión de
circuito sencillo a
monopolo con
modificación de
estructura
35
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
Conversión de doble
circuito a tres bipolos
sin modificación de
estructura
Escoger
apropiadamente el
nivel de tensión DC
Distancias de
seguridad y
Aisladores
36
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
Conversión de doble
circuito a esquema
híbrido con un
bipolo
37
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 HVDC38
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)
Proyectos de investigación
relacionados con HVDC en Uniandes
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
40
Transient Stability studies of offshore wind farms
connected as a Supergrid with VSC-HVDC41
Caso A
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.
Caso B Caso C
Análisis de Perturbación (Falla)42
Potencia activa (MW) Vs. Tiempo (s) para generadores 1, 3 y 5, ante falla en el parque 1.
0 1 2 3 4 5 6200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Tiempo(s)
Pote
ncia
activa (
MW
)
Potencia activa de generadores (MW)
Gen1
Gen3
Gen5
0 1 2 3 4 5 6200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Tiempo(s)
Pote
ncia
activa (
MW
)
Potencia activa de generadores (MW)
Gen1
Gen3
Gen5
No oscila ningún generadorGen 5 no oscila
0 1 2 3 4 5 6300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
Gen1
Gen3
Gen5
Caso A
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.
Caso B Caso C
Transient Stability studies of offshore wind farms
connected as a supergrid with VSC-HVDC
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.
43
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 view44
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 view45
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 view46
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.
47
Po
ten
cia
G9
Vo
ltaje
N9
Po
ten
cia
G13
Vo
ltaje
N15
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 207.85
7.9
7.95
8
8.05
8.1
8.15
PG9
HVAC
PG9
Hybrid
PG9
HVDC
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2028
30
32
34
36
38
40
42
PG13
HVAC
PG13
Hybrid
PG13
HVDC
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
1.02
1.021
1.022
1.023
1.024
1.025
1.026
1.027
1.028
V9 HVAC
V9 Hybrid
V9 HVDC
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200.9992
0.9994
0.9996
0.9998
1
1.0002
1.0004
1.0006
V15
HVAC
V15
Hybrid
V15
HVDC
Comparación de Resultados de Estabilidad
Transitoria
HVAC weak links replacement with
HVDC links: A stability point of view
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.
48
Conclusiones
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
49
Conclusiones
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.
50