jan g. johansson, power systems hvdc, lima - peru, 2015-04

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Tecnología HVDC Características y Beneficios – Parte 2

Jan G. Johansson, Power Systems – HVDC, Lima - Peru, 2015-04-23

Configuraciones

© ABBMonth DD, YYYY | Slide 2

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Qué es la Tecnología HVDC Líneas HVDC – Configuraciones

± DC ± DC

Retorno por tierra/mar ó metálico

Monopolo (asimétrico)

0 0

~~ ~~

+ DC/2

Monopolo simétrico

- DC/2 - DC/2

+ DC/2

~~ ~~

+ DC/2

Bipolo

- DC/2 - DC/2

+ DC/2

~~ ~~

~~ ~~

Espalda-con-Espalda

(BtB)+ DC/2

- DC/2 - DC/2

+ DC/2

~~ ~~

HVDC en BtB (Back-to-Back)

Líneas CA

Costo de estaciones convertidoras ++

Costo de líneas de transmisión -

Pérdidas -

Disponibilidad -

Barra CABarra CA 1500 MW

+ Aspecto ventajoso de esta transmisión

- Aspecto adverso

HVDC en BtB (Back-to-Back)

Líneas CA

Costo de estaciones convertidoras +

Costo de líneas de transmisión -

Pérdidas -

Disponibilidad 0

Barra CABarra CA 750 MW

Barra CABarra CA 750 MW

+ Aspecto ventajoso de esta transmisión

- Aspecto adverso

HVDC en Monopolo

1500 MW

Costo de estaciones convertidoras +

Costo de líneas de transmisión +

Pérdidas +

Disponibilidad -

+ Aspecto ventajoso de esta transmisión

- Aspecto adverso

HVDC en Bipolo

1500 MW

Costo de estaciones convertidoras 0

Costo de líneas de transmisión +

Perdidas +

Disponibilidad +

+ Aspecto ventajoso de esta transmisión

- Aspecto adverso

HVDC Multi-terminal

1500 MW1500 MW P MW

Costo de estaciones convertidoras -

Costo de líneas de transmisión +

Perdidas +

Disponibilidad +

+ Aspecto ventajoso de esta transmisión

- Aspecto adverso

Flexibilidad con Multi-terminal

Fase 2

Fase 1

1500 MW1500 MW P MW

Fase 2

Fase 1

1500 MW1500 MW P/2 MW

Flexibilidad - Alternativa

Encuentro CardonesSistema CC

Sistema CA

Expansion en etapas del sistema CA

Tecnologías de HVDC

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Diferentes tipos de convertidores HVDC

Conmutación natural;HVDC Clásico; convertidores de corriente (CSC)

Conmutación forzada;HVDC Light; convertidores de voltaje (VSC)

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Diferentes tipos de convertidores HVDC

Conmutación natural;HVDC Clásico; convertidores de corriente (CSC)

Conmutación forzada;HVDC Light; convertidores de voltaje (VSC)

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R S T

wt wt

TSR

Id

R

S

T

V1 V3 V5

V4 V6 V2

Ud

X=0 X=0

dU

V2V6V4

V5V3V1

T

S

R~

dI

~

~

~

~

~

Voltajes de fase Voltajes de fase

HVDC Clásico (CSC)Conversora de seis pulsos – válvulas no controladas

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HVDC ClásicoConmutación natural - Voltaje directa, XK=0, a=0

-60 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240

Udi0=3V2*Uh/URT UST USR

t

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HVDC ClásicoConmutación natural - Voltaje directa, XK=0

(Ud=Udi0 x cosa - (dx+dr) x Id x Udi0N/IdN)

-60 -30 0 30 60 90 120 150 180 210 240

Ud=3V2*Uh*cos a/URT UST USR

ta

(Ud=Udi0*cos a

Ud1 Ud2 Rd Id Pd1 Pd2

100 99 1 1 100 99

101 99 1 2 202 198

-99 -100 1 1 -99 -100

Ud1 (Ud1- Ud2)

R

XP =

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HVDC Clásico Relación entre el ángulo de disparo y el defasaje

Observar:

La convertidora de conmutación natural

siempre consume potencia reactiva

ia1

ea

ia(a)

Ea

Ia1

wt 0a

(b)Id

Ea

Ia1

30a a

(d)

Ea

Ia1 90aa

(c)

Ea

Ia1 60a

a

(e)

Ea

Ia1

120aa

E

(f)

a

Ia1

150aa

a

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Diferentes tipos de convertidores HVDC

Conmutación natural;HVDC Clásico; convertidores de corriente (CSC)

Conmutación forzada;HVDC Light; convertidores de voltaje (VSC)

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HVDC Light – Una dimensión más

HVDC

SVC

HVDC Light

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HVDC LightConmutación forzada – Voltaje

+Udc1

Udc1

Usw

Udc2

+Udc2

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HVDC LightConmutación forzada y modulación de ancho de pulsos

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HVDC Light Diferentes típos de modulación

Dos niveles

Voltaje de salida Circuito

Multi-niveles

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HVDC Light: Potencia Activa y ReactivaComparación con HVDC Clásica

1,0

0,5

Id

Q

0,13

- 0,5Consumo de la conversora

Desbalace con

la red

Suministro de bancos

de capacitores y

filtros

HVDC Clásica:

~ compensación reactiva con filtros y bancos

en paralelo maniobrados

0.75 0.5 0.25 0 0.25 0.5 0.75

1.25

1

0.75

0.5

0.25

0.25

0.5

0.75

1

1.25P (p.u.)

Qgen

(p.u.)Qabs

(p.u.)

Rectifier

operation

Inverter

operation

HVDC Light:

No requiere compensación reactiva; STATCOM con

un rango dinámico ~ 0.5Pd/+0.5Pd Mvar

bajo un factor de potencia de 90%.

Operación individual posible en

qualquier punto dentro de la curva

(respetando que PR~PI ), i.e. QR y QI

pueden ser despachadas totalmente

distintas

(Diagrama válida en operación BtB)

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Tecnologías HVDC básicas - Conversoras

AC DC

HVDCHVDC--CSCCSC

Indoor

Outdoor

AC FiltersAC Filters

DC FiltersDC Filters

Thyristor ValvesThyristor Valves

Converter Converter

TransformersTransformers

AC DC

HVDCHVDC--CSCCSC

Indoor

Outdoor

AC FiltersAC Filters

DC FiltersDC Filters

Thyristor ValvesThyristor Valves

Converter Converter

TransformersTransformers

AC DC

HVDCHVDC--VSCVSC

Indoor

Outdoor

IGBT ValvesIGBT Valves

AC DC

HVDCHVDC--VSCVSC

Indoor

Outdoor

IGBT ValvesIGBT Valves

HVDC Light (Conmutación forzada)

No requiere nivel mínimo de corto-circuito

No requiere nivel mínimo de potencia

No demanda potencia reactiva

Control independiente de la potencia activa y reactiva

Soporte dínámico de voltaje: Q ~= ± 0.5 x Pdnom

HVDC Clásico/CCC (Conmutación natural)

Nivel de corto-citcuito mínimo: SMVA > 2 x Pd

(>1.3 x Pd con CCC)

Nivel mínimo de potencia: 5-10%

Demanda potencia reactiva en los terminales

Potencias mas altas, escalas de economía

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Ventajas con HVDC

Ventajas particulares con HVDC

Control de flujo de potencia bi-direccional

Inversion más baja para transmisiones de larga distancia

Interconexión asíncrona

Transmisión mejorada en circuitos CA paralelos

Más de 3 veces la potencia en el mismo derecho-de-vía

Ventajas particulares de HVDC Light

Control independiente de potencia activa y reactiva

Mejor operación en red existente

Interfaz simplificado con red CA de conexión

Conexión de cargas pasivas

Proceso de permisos simplificado por uso de cables

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HVDC Light con cable

Minas (y otras cargas grandes) remotas

Apoyo voltaje

Uso de carretera

Transmisión fiable

Apoyo voltajeCorrientes de corto-circuito limitadasArranque directo de motores

Cables para HVDC

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Technologías para cables HVDC

HVDC Light

Aislamiento polimérico

Bajo peso; Cable subterráneo ~10 kg/m

Bajo número de empalmes para

instalaciones subterráneas

Empalmes pre-fabricados (1 día/ empalme)

Bobinados, permite instalación desde

barcazas, que son bien disponíibles

Producción flexible, cables AC y DC en la

misma línea de fabricación

HVDC Clásica

Aislamiento con papel impregnado por

aceite

Alto peso; Cable subterraneo ~25 kg/m

Alto número de empalmes para

instalaciones subterráneas

Empalmes “hechos a medida” (5 días/

empalme)

Require barco especial para la instalación,

pocos barcos

Línea de fabricación dedicada para cables

DC

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Cable HVDC Light de Murraylink (220 MW)

Voltaje nominal: 150 kV DC

Conductor: 1200/1400 mm2 Aluminio

Aislamiento: 12 mm polietileno extruído

Pantalla: Hilos de cobre, 30 mm2

Funda: HDPE

Peso: 7.0/7.8 kg/m

Diámetro: 80.2/83.7 mm

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Cable HVDC Light de Cross Sound (330 MW)

Voltaje nominal: 150 kV DC

Conductor: 1300 mm2 Cobre

Aislamiento: 12 mm polietileno extruído

Pantalla metálica: 2.6 mm plomo laminado

Chaqueta interior: PE

Armado: 5 mm, alambre de acero

Cubierta exterior: Yute impregnado, 2mm

Peso: 30.4 kg/m

Diámetro: 98 mm

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Voltaje nominal: 320 kV DC

Conductor: 1300 mm2 Cobre

Aislamiento: 18 mm polietileno extruído

Pantalla metálica: 2.5 mm plomo laminado

Chaqueta interior: PE

Armado: 2x5 mm, alambre de acero

Cubierta exterior: Yute impregnado

Peso: 44 kg/m

Diámetro: 124 mm

Cable HVDC Light de DolWin 1 (800 MW)

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Cables HVDC Diseño térmico

Diseño

térmico

Tamaño del

conductor

Potencia de transmisión:

Corriente contínua y temporaría

Parámetros de instalación:

Profundidad

Espaciamiento

Temperatura ambiental

Propiedades del suelo

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Cables HVDC:Capabilidades y limitaciones prácticas

Temperatura máxima: 70°C (Cable polimérico)

50°C (Cable MI)

Area máxima del conductor

Al: (por lo menos) hasta 2300 mm2

Cu: (por lo menos) hasta 2500 mm2

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1997

Hellsjön

± 10 kV, 3 MW

2000

Directlink, 354 km

± 80 kV, 60 MW

2009

± 320 kV, 1200 MW2004

Estlink, 210 km

± 150 kV, 350 MW

Cables HVDC Light

2001

Murraylink, 360 km

± 150 kV, 220 MW

Para HVDC Light ABB ha desarollado cables triple-extruidos de bajo

peso y con empalmes prefabricados, que:

Son probados, secos, confiables y rápidos de montar

No require búnker de hormigón, sino solamente una

cubierta de arena

Permite juntar cables con diferentes areas del conductor

2014

± 525 kV, 1800 MW

Cables de ABB para HVDCPoliméricos o con papel impregnado en aceite (MI)

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 35

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 36

HVDC Light versus HVDC ClásicaRangos comparativos

Ucd en kV

HVDC Clásica

con líneas aéreas

Potencia en MW

HVDC Light

con líneas aéreas

500

2000 3000 4000 5000 6000 7000

0

0 1000

HVDC Light con

cables poliméricos

1100

1000

100008000 9000

HVDC Clásica o

Light con cables MI

Equipo

© ABBMonth DD, YYYY | Slide 37

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 38

HVDC ClásicoEstación convertidora monopolar

Línea aérea o

cable

Conversora

Reactor de

alisamiento

Filtro CD

Telecomunicación

Sistema

de

control

Filtros CACapacitores

shunt o otro

dispositivo

reactivo

Barra de CA

~~Válvulas de tiristores

Válvulas de tiristores

Características típicas de una válvula cuádruple de tiristores:

Altura: Ca 20 m

Peso: Ca 20 toneladas

Sala de válvulas, 500 kV HVDC

© ABB Group Slide 40PowDoc id

Transformador convertidor1 fase, 3 devanados (345 KV CA, 353 MVA, 60 Hz)

Peso de transporte: Ca 250 toneladas

Peso instalado: Ca 350 toneladas

© ABB Group Slide 41PowDoc id

Elección del transformadorNúmero de unidades por polo y

puente de 12 pulsos:

1 (+1 de reserva)

2 (+(1+1) de reserva)

3 (+1 de reserva)

6 (+(1+1) de reserva)

Peso de transporte

0

50

100

150

200

250

300

350

100 150 200 250 300 350 400 450

MVA

To

nela

das

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 42

HVDC Light

Reactores de fase Capacitores CD secos

Filtros CA

Reactor

de fase

Capacitor CD

Interior

Idc

±Udc

Línea aerea

o cable

Sistema

de

Control

Barra de CA

Válvulas IGBT

Algunas referencias de HVDC Clásico

© ABBMonth DD, YYYY | Slide 43

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 44

Itaipú, Brasil

• Potencia: 2x3150 MW

• Voltaje CD: + 600 kV

• Transmisión: 785 + 805 km

• Dos bipolos con líneas aéreas

• Puesta en servicio: 1984-87

• Transmisión a larga distancia

(+ redes asíncronas)

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 45

Rio Madeira, Brasil

• Potencia: 3150 (+ 2x400) MW

• Voltaje CD: + 600 kV

• Transmisión: 2500 km

• Bipolo con línea aérea (+ dos BtBs)

• Puesta en servicio: 2012

• Transmisión a larga distancia

(+ redes asíncronas)

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 46

Three Gorges – Guangdong, China

• Potencia: 3000 MW

• Voltaje CD: + 500 kV

• Transmisión: 940 km

• Bipolo con línea aérea

• Puesta en servicio: 2004

• Transmisión masiva de

potencia, Estabilidad

© ABB Group Slide 47PowDoc id

Xiangjiaba – Shanghai, China

• Potencia: 6400 MW

• Voltaje CD: + 800 kV

• Transmisión: 2070 km

• Bipolo con línea aérea

• Puesta en servicio: 2010

• Transmisión masiva de potencia.

Estabilidad

© ABB Group Slide 48PowDoc id

JinPing-SunNan, China

• Potencia: 7200 MW

(+400 MW de sobrecarga)

• Voltaje CD: + 800 kV

• Transmisión: 2090 km

• Bipolo con líneas aéreas

• Puesta en servicio: 2013

• Transmisión de potencia en masa

DC

filter

DC

filter

+800 kV

-800 kV

© ABB Group Slide 49PowDoc id

Fennoskan, Suecia-Finlandia

• Potencia: 500 + 800 MW

• Voltaje CD: 400 y 500 kV

• Transmisión: 200 km (cable submarino)

+ 33 y 70 km (líneas aéreas)

• Bipolo

• Puesta en servicio: 1989 y 2011

• Distancia con cable submarino

Interconexión Argentina-Brazil I & II (Garabí)

• Potencia: 2x1100 MW

• Voltaje CD: ±70 kV

• “Back-to-Back” con CCC

• Puesta en servicio: 2000/2002

• Interconexión asíncrona

(500 kV, 50 Hz/525 kV, 60 Hz)

Sharyland/Railroad DC Tie, USA

• Potencia: 2x150 MW

• Voltaje CD: ±24 kV

• ”Back-to-Back”

• Puesta en servicio: 2007 y 2014

• Interconexión asíncrona

(con arranque negro !)

Algunas referencias de HVDC Light

© ABBMonth DD, YYYY | Slide 52

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 53

Murraylink HVDC Light, Australia

• Potencia: 200 MW

• Voltaje CD: +150 kV

• Transmisión: 180 km

(dos cables subterráneos)

• Puesta en servicio: 2002

• Transmisión mercantil

Cross Sound Cable, EE.UU.

• Potencia: 330 MW

• Voltaje CD: ± 150 kV

• Transmisíon: 42 km

(dos cables submarinos)

• Puesta en servicio: 2002/2003

• Transmisión mercantil

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 55

BorWin1 HVDC Light, Alemania

22 m

• Potencia: 400 MW

• Voltaje CD: ±150 kV

• Transmisión: 203 km

• 2 x 75 km cables subterraneos

• 2 x 128 km cables submarinos

• Puesta en servicio: 2009

• Conexión de un parque eólico.

© ABB Group Slide 56PowDoc id

DolWin 2 HVDC Light, Alemania

• Potencia: 900 MW

• Voltaje CD: ±320 kV

• Transmisión: 165 km

• 2 x 90 km cables subterraneos

• 2 x 45 km cables submarinos

• Puesta en servicio: 2015

• Conexión de parques eólicos

Caprivi Link, Namibia

• Potencia: 300 MW (Primera fase)

• Voltaje CD: -350 kV (Primera fase)

• Transmisión: 970 km de líneas aereas

• Puesta en servicio: 2010

• Longitud de líneas, Interconexión de

redes débiles

330 kV AC400 kV AC

Gerus

Converter

station

HVDC Line 970 kmZambezi

Converter

station

- 350 kV DC

+ 350 kV DC

AC Filter

Electrode

Lines

50 km

AC Filter

AC FilterAC Filter

© ABB Group Slide 58PowDoc id

HVDC Light: Skagerrak 4, Noruega - Dinamarca

• Potencia: 700 MW

• Voltaje CD: +/0 500 kV (monopolo)

• Transmisión: 140 km

• 2 x 104 km cables subterraneos

• 2 x 140 km cables submarinos

• Puesta en servicio: 2014

• Longitud de cables, redes asíncronas,

caracteristicas de HVDC Light

Mackinac, EE.UU

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 59

• Potencia: 200 MW/100 MVar

• Voltaje CD: +71 kV

• ”Back-to-Back”

• Puesta en servicio: 2014

• Estabilidad de la tensión,

control de flujo de potencia,

operación en isla

© ABB Group May 22, 2015 | Slide 60