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)
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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
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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
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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
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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)
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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)
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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
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© 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
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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
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• 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