JCEE’14 Ricard Picas Prat

1. Transmissió d’energia en HVDC ◦ Què és l’HVDC?

◦ Avantatges i inconvenients respecte HVAC

◦ Tecnologies LCC i VSC

◦ Instal·lacions reals

2

2. Convertidors multinivell ◦ Principals característiques

◦ Topologies:

Díode-Clamped (DCMLI)

Flying Capacitor (FC)

Cascaded H-Bridge (CHB)

3

3. Convertidor MMC ◦ Concepte i principis de funcionament

◦ Tècniques de modulació

◦ Llaços de control

◦ Aplicacions

4

HVDC: High Voltage Direct Current Transmissió d’energia en corrent continu

d’alta tensió: des de ±10kV a ±400kV ◦ Ultra High Voltage DC (UHVDC) : ±800kV

5

Principals aplicacions: ◦ Transmissions d’alta potència (Bulk power) i llarga

distància.

◦ Connexions submarines o subterrànies

◦ Interconnexió de xarxes asíncrones (50Hz i 60Hz)

◦ Estabilització de xarxes “dèbils”

6

7

Avantatges ◦ Efecte de les impedàncies paràsites → Reducció de

pèrdues en el dielèctric ◦ Menys nombre de cables ◦ No necessitat de compensadors d’energia reactiva

Inconvenients ◦ Necessitat de convertidors estàtics Increment del preu i volum de les estacions terminals Pèrdues energètiques en els convertidors

8

Major cost de les estacions HVDC però menor cost per unitat de longitud

Distància òptima: ◦ Línies aèries: >400km ◦ Línies subterrànies:

>60km

9

Dues tecnologies de convertidors per a HVDC: ◦ Line-Conmutated Converter (LCC) ◦ Voltage Source Converter (VSC)

10

Convertidor LCC ◦ Ús de dispositius semi-controlats:

Tiristors (SCR) ◦ Tecnologia madura amb una alta

eficiència: 0.75% ◦ Treball com a font de corrent

◦ Topologia: pont rectificador semi-

controlat de 12 polsos

11

Inconvenients de LCC ◦ Necessitat d’una “forta” tensió de sincronització → no

poden treballar en xarxes dèbils ◦ Necessitat d’energia reactiva ◦ Gran volum en filtres i compensadors de reactiva

12

Convertidor VSC ◦ Ús de dispositius totalment

controlats: IGBT o GTO ◦ Tecnologia menys evolucionada.

Pèrdues del 3% ◦ Treball com a font de tensió

◦ Inversor 2 nivells o topologies

multinivell

13

Avantatges de VSC ◦ No necessitat de tensió de sincronització ◦ Gran controlabilitat de P i Q ◦ Baix contingut harmònic → Poc volum en filtres

14

Itaipú (Brasil) ◦ Evacuació d’energia d’una central hidroelèctrica ◦ 6300 MW, ±600kV i 800km. ◦ Tecnologia LCC. Fabricant ABB ◦ Any 1987 ◦ Justificació: Unió de xarxes asíncrones (50Hz-60Hz) i

llarga distància

15

Xiangjiaba – Shanghai (Xina) ◦ Evacuació d’energia d’una central hidroelèctrica ◦ 6400 MW, ±800kV i 2000km. ◦ Tecnologia LCC. Fabricant ABB ◦ Any 2010 ◦ Justificació: Llarga

distància

16

Caprivi Link (Namíbia) ◦ Enllaç de xarxes dèbils ◦ 300 MW, 350kV i 950km. ◦ Tecnologia VSC 2 nivells. Fabricant ABB ◦ Any 2009 ◦ Justificació: Llarga distància, xarxes dèbils

2. Convertidors multinivell ◦ Principals característiques

◦ Topologies:

Díode-Clamped (DCMLI)

Flying Capacitor (FC)

Cascaded H-Bridge (CHB)

17

18

VSC amb múltiples nivells de tensió de sortida ◦ Menys contingut harmònic → Reducció filtres

Distribució de les exigències de tensió en múltiples interruptors ◦ Increment de la tensió i potència del convertidor ◦ Ús de dispositius de menor potència

19

Es divideix la tensió del bus de continua amb condensadors.

La sortida es connecta als diversos nivells de tensió a través dels díodes fixadors i la combinacions d’interruptors (IGBT o GTO)

20

Diverses branques de

condensadors

Combinant la tensió del

bus i la tensió de la

branca activada es crea

el nivell de sortida

21

Convertidors inversors

connectats en sèrie.

Font de tensió

independent per a cada

cel·la

Tensió de sortida = suma

de cada cel·la

Convertidor més comercial

3. Convertidor MMC ◦ Concepte i principis de funcionament

◦ Tècniques de modulació

◦ Llaços de control

◦ Aplicacions

22

23

Modificació del convertidor en cascada ◦ Substitució de fonts de tensió per condensadors ◦ Cel·les amb estructura en semi-pont

Principals característiques ◦ Escalabilitat a diferents nivells de tensió i potència ◦ Baix contingut harmònic, sobretot a alta tensió ◦ Absència de condensador al bus de continua

24

S1 off→vSM=0 S1 on→vSM=vC

N Sub-Mòduls (SMs) connectats en sèrie

25

Vout=VDC-∑(VSM) Tensió superior ha de

coincidir amb tensió inferior

Inductàncies per limitar el corrent intern

Múltiples combinacions per obtenir un mateix nivell de sortida.

26

Més comú: Tècniques multiportadora Per a molts nivells de tensió: NLM

MODULACIÓ PD-PWM La sortida consisteix en n

nivells de tensió. Comparació amb n-1

portadores desplaçades verticalment.

27

28

Phase-shifted (PS-PWM)

Nearest Level Modulation (NLM)

29

Control d’equilibrat de tensió als condensadors

◦ Diverses combinacions per una mateixa sortida (graus de llibertat).

◦ Prioritat de les cel·les en funció de la seva tensió.

◦ Ip>0 → Activació del més descarregat.

◦ Ip<0 → Activació del més carregat.

30

Diversos llaços de control encadenats

31

La principal aplicació del convertidor MMC és la transmissió d’energia en HVDC ◦ Permet treballar a molt alta de tensió ◦ Distribueix la tensió entre tots els components → Es

redueix l'estrès dels components ◦ Ús de molts nivells de tensió → No necessitat de filtres ◦ No necessita condensador de bus

Tres principals fabricants ◦ SIEMENS: HVDC PLUS ◦ ABB: Cascaded Two-Level (CTL) HVDC LIGHT ◦ ALSTOM: HVDC MaxSine

32

Trans Bay Cable (San Francisco, EUA) ◦ Primera línia HVDC amb MMC ◦ Tecnologia HVDC PLUS de SIEMENS ◦ 400MW, ±200kV i 85km ◦ Any 2010 ◦ Justificació:

Enllaç submarí

33

Baixas - Santa Llogaia ◦ 2 x 1000MW, ±320kV i 65 km

◦ Tecnologia HVDC PLUS de SIEMENS

◦ Justificació: Enllaç subterrani

34

S. Cole and R. Belmans, “Transmission of bulk power”, IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 3, no. 3, 2009, pp. 19-24.

M.P. Bahram, “HVDC Transmission Overview”, IEEE/PES Transm. Distri. Conf. Exp., 2008, pp. 1-7.

L.G. Franquelo, J. Rodríguez, J.I. León, S. Kouro, P. Portillo, and M.A.M. Prats, “The age of multilevel converters arrives,” IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 2, no. 2, 2008, pp. 28-39.

K. Friedrich, “Modern HVDC PLUS application of VSC in modular multilevel converter topology,” in Proc. IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 4-7 July 2010, Bari, Italy, pp. 3807-3810.

M. Saeedifard and R. Iravani, “Dynamic performance of a modular multilevel back-to-back HVDC system,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 25, no. 4, 2010, pp. 2903-2912.

http://new.abb.com/systems/hvdc http://www.energy.siemens.com/hq/en/power-transmission/hvdc/ http://www.alstom.com/grid/products-and-services/engineered-energy-

solutions/hvdc-transmission-systems/

35

La transmissió d’energia en corrent continu (HVDC) i els convertidors multinivell

Ricard Picas Prat