sistemas de transmisión de corriente continua en alta ......estrategias de control pwm o vectorial....

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

Estado del Arte

5

Fuente: http://www.lntecc.com/homepage/PTD/gallery.html

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.

http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf

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

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.

http://www.energy.siemens.com/br/en/power-transmission/hvdc/references.htm

http://new.abb.com/systems/hvdc/references/rio-madeira

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.



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

Servidumbres19

Fuente: www.energy.siemens.com

Servidumbres20

Fuente: http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/hamerly1/

R. Hamerly, “Direct Current Transmission Lines”, 2010

http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/hamerly1/

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.

http://www.edn.com/Home/PrintView?contentItemId=4404090

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.

Metodología de Selección de Voltaje DC

23

42 31

5

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.

Análisis de Sensibilidad27

Análisis de Sensibilidad (Cambio

niveles de tensión opcionales)28

¿Qué dicen los fabricantes?29

Fuente: http://www.ece.uidaho.edu/hvdcfacts/Presentations/MBahrman.pdf




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 HVDC31

Fuente: http://www.slideshare.net/priteshpriyadarshi7/hvdc-facts


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)


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 de doble

circuito a un bipolo

con modificación de

estructura

34






Conversión de

circuito sencillo a

monopolo con

modificación de

estructura

35







circuito a tres bipolos

sin modificación de

estructura

Escoger

apropiadamente el

nivel de tensión DC

Distancias de

seguridad y

Aisladores

36







circuito a esquema

híbrido con un

bipolo

37





Algunos Proyectos de

HVDC en UniAndes

39

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



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



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.



Interconexión híbrida entre NETS y NYPS





Reemplazo del enlace AC por HVDC entre

NETS y NYPS



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


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

sistemas de transmisión de corriente continua en alta ......estrategias de control pwm o vectorial....

Documents